Nature子刊：毕昌昊/张学礼团队开发基于糖基化酶的新型碱基编辑器

中国科学院天津工业生物技术研究所毕昌昊团队和张学礼团队合作，在 Nature Biotechnology 期刊发表了题为：Glycosylase-based base editors for efficient T-to-G and C-to-G editing in mammalian cells 的研究论文。

该研究开发了不依赖脱氨酶（deaminase-free，DAF）的新型碱基编辑器——DAF-CBE和DAF-TBE，分别在大肠杆菌中实现C-to-A、T-to-A的碱基颠换，在哺乳动物细胞中实现C-to-G、T-to-G的碱基颠换编辑。

碱基编辑被认为是继CRISPR-Cas9后新一代基因编辑工具，并在临床研究中展示了有希望的治疗效果。但目前碱基编辑仍面临一些障碍，例如，现阶段的碱基编辑器相对较大，无法使用单个AAV载体递送，此外，这些碱基编辑器能够进行的碱基编辑类型有限。虽然刘如谦团队后续开发的先导编辑（PE）在理论上可以实现所有碱基类型之间的转换，但其在不同基因组位点上的表现存在高度变异性，且编辑效率通常显著低于碱基编辑器。因此，我们还需要开发更多类型的高效碱基编辑器。

在这项最新研究中，为了扩展碱基编辑的类型并避免使用脱氨酶，研究团队构建了两种碱基编辑工具，它们只包含一个胞嘧啶-DNA糖基化酶（CDG）或胸腺嘧啶-DNA糖基化酶（TDG）和nCas9两个组分。

研究团队通过定向进化改造了人源尿嘧啶糖基化酶（UNG）的两个突变体UNGN204D和UNGY147A，获得了两种高活性的DNA糖基化酶，分别是胞嘧啶-DNA糖基化酶（CDG4）和胸腺嘧啶-DNA糖基化酶（TDG3），然后将它们分别与与nCas9融合，构建了DAF-CBE和DAF-TBE这两种碱基编辑器，在大肠杆菌中进行C-to-A和T-to-A的碱基编辑。结果显示，CDG4-nCas9和TDG3-nCas9在大肠杆菌中的编辑效率最高可达58.7％和54.3％。

CDG-nCas9/TDG-nCas9在大肠杆菌中的设计和进化

然后，研究团队对这两种碱基编辑器进行了人类密码子优化，在人HEK293T细胞中实现了C-to-G和T-to-G的颠换编辑，编辑效率分别达到38.8%和48.7%。且具有最小的Cas9依赖性和Cas9非依赖性脱靶效应以及最小的RNA脱靶效应。

HEK293T细胞中DAF-CBE和DAF-TBE编辑活性的表征

此外，该研究还证实了DAF-CBE和DAF-TBE可对人诱导多功能干细胞（hiPSC）进行高效碱基编辑。

接下来，研究团队对这两种碱基编辑器进行了基因工程改造，开发出了DAF-CBE2和DAF-TBE2，它们的编辑窗口从原间隔区的5′端移动到了中间区域，并将对C-to-G/T-to-G的编辑效率分别提高了3.5倍和1.2倍。

这些结果表明，DAF-BE可对大肠杆菌、哺乳动物细胞（包括hiPSC）进行安全高效的碱基编辑。更重要的是，与先导编辑或CGBE相比，DAF-BE具有类似的效率、更小的尺寸和更低的脱靶效应，并扩展了碱基编辑器的碱基编辑类型，为工业菌株改造、遗传疾病治疗及细胞疗法开发提供了全新工具。