Nat Commun：开发出优化碱基编辑器的新策略

2021年11月21日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自美国莱斯大学的研究人员试图通过提前微调CRISPR碱基编辑策略来避免基因编辑错误。他们将理论和实验结合起来开发出一种构建更好的碱基编辑器的综合方法，其中碱基编辑器在单碱基分辨率下靶向修复有问题的DNA。相关研究结果近期发表在Nature Communications期刊上，论文标题为“A general theoretical framework to design base editors with reduced bystander effects”。论文通讯作者为莱斯大学化学与生物分子工程师Xue Sherry Gao和化学家Anatoly Kolomeisky。

这篇论文描述了碱基编辑器用来操纵DNA链的分子过程：在必要的地方切割DNA，为核苷酸替换让路。当它起作用时，正如它在治疗镰刀型细胞贫血和一些癌症等遗传疾病时越来越多地起作用一样，碱基编辑器仅编辑给定的核苷酸。当它不奏效时，那是因为不想要的编辑---也称为旁观者编辑（bystander edit）---会造成不希望看到的结果，即旁观者效应（bystander effect）。

这种新的方法主要是为了消除旁观者编辑，即对靶核苷酸相邻的核苷酸进行编辑。Gao的实验室之前引进了一些工具，可将基于CRISPR的胞嘧啶突变编辑的准确性最高提高到6000倍。

对于这个新项目，她让Kolomeisky实验室帮助构建一种理论框架，以消除编编辑辑器文库设计中的试验和错误。这将更好地靶向导致疾病的突变，同时避免旁观者编辑。在这一过程中，该框架可以帮助科学家们更好地理解碱基编辑过程中发生的化学和物理过程。

Kolomeisky提及在早前的一篇论文中，他所在实验室利用它自己开发的碱基编辑器将胞嘧啶转化为胸腺嘧啶，校正DNA突变，同时避免编辑上游的其他脆弱的胞嘧啶。他说，“Gao和其他实验科学家已经有了有效的结果。但是，尽管有这些惊人的进展，但是我们还没有从微观上理解我们应该如何利用这些蛋白系统来改进编辑。”

他说，Kolomeisky实验室前博士后研究员Qian Wang接受了这个挑战，以Gao的胞嘧啶实验为基线。

Kolomeisky说，“我们为之前的研究结果应用了这种理论框架，得到了一些重要的参数，然后我们用来设计需要什么突变和在哪里得到精确的编辑。最终，这种理论和实验的共生关系使我们能够以一种聪明的方式开展研究工作。”

他们的策略结合了分子动力学模拟和随机模型，从而可精确指出实现最大编辑选择性所需的分子之间的结合能量。Gao实验室的实验验证了这些结果。

至关重要的是，这种理论框架包括一种表征脱氨酶---催化从分子中去除一个氨基的酶---与单链DNA（ssDNA）之间的结合亲和力的方法。

他们说，理想情况下，脱氨酶在ssDNA上停留的时间只够完成初级编辑，并在无意中编辑一个旁观者位点之前从ssDNA上释放下来。

A3A-BE3 在EGFP位点1进行编辑的化学动力学模型，图片来自Nature Communications, 2021, doi:10.1038/s41467-021-26789-5。

Kolomeisky说，“这里重要的一点是，并不存在一种适用于不同系统的突变。因此，对于每一个系统，你都必须再做一次这个过程，至少很清楚它应该做什么。”

Gao说，“这种理论框架已经非常成功地反映了已经在实验中做过的事情。但从那时起，我们已经能够在其他碱基编辑系统中关闭旁观者效应。”

她说，“因为突变的核苷酸数量可能是数以千计的，仅靠实验来验证单个碱基编辑器是不现实的。只有这种多学科的方法才能让我们通过计算建立一个庞大的碱基编辑器文库，然后将碱基编辑器的数量缩小到最有希望的候选者，以便进一步进行实验验证。这就是我们正在努力的方向。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Qian Wang et al. A general theoretical framework to design base editors with reduced bystander effects. Nature Communications, 2021, doi:10.1038/s41467-021-26789-5.