中国科学家发现胞嘧啶单碱基编辑器存在全基因组范围的脱靶效应

人类的遗传疾病与农作物农艺性状改变通常是由基因组中的单个或少数核苷酸的突变引起的。单碱基基因编辑技术为定向编辑基因组中的关键核苷酸变异提供了重要工具。中科院遗传与发育生物学研究所研究员高彩霞团队在水稻中对两种胞嘧啶编辑器(CBE) BE3和HF1-BE3, 以及一种腺嘌呤编辑器(ABE)的特异性进行了全基因组水平评估，首次在体内利用全基因组测序技术全面分析和比较了单碱基编辑系统在基因组水平上的脱靶效应。相关研究成果于3月1日在线发表在《科学》杂志上。

鉴定与定向修正基因组中关键的核苷酸变异，是人类遗传疾病治疗及动植物育种的重要研究方向。基于CRISPR系统的单碱基基因编辑技术是近年来取得的革命性技术之一，已广泛应用于基础研究、疾病治疗和作物遗传改良等各个方面。

根据靶向碱基的不同，单碱基编辑器主要分为两类，胞嘧啶单碱基编辑器与腺嘌呤单碱基编辑器，分别由胞嘧啶脱氨酶或改造的腺嘌呤脱氨酶与nCas9蛋白融合而来，对应地可在基因组中的靶向位点实现C>T或A>G的碱基编辑。

但在拥有海量数据信息的全基因组中精准地编辑某个目标基因，这并不是一件容易的事情，有时可能会“破坏”掉控制优良性状或功能的基因。

“目前，CBE与ABE已在多个物种中得到了广泛应用。然而，对它们脱靶效应的检测还很不充分，原因在于，此前研究的数据主要来源于体外实验研究，或者是利用生物信息学软件预测的有限靶序列相似位点的检测，而CBE与ABE在体内全基因组范围的脱靶效应还未得到详细评估。”论文第一作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所博士生靳帅说。通过全基因组测序分析克隆植物样本，可以克服上述数据局限性，从而客观评价整个基因组水平上的单碱基编辑技术的特异性。

研究人员对经过不同单碱基编辑系统转化的56棵T0代水稻植株与21株对照植株进行全基因组测序。进一步序列统计分析发现，经过单碱基编辑系统处理后，基因组内插入或删除碱基突变的数量与对照组相比没有显著变化。但是无论是在有无sgRNA的情况下，BE3与HF1-BE3均可在水稻基因组中造成大量额外的单核苷酸变异，且大部分为C>T类型的碱基突变。

与经过农杆菌转化但不含任何单碱基编辑系统的对照植株相比，经过BE3系统和HF1-BE3系统处理的植株在全基因组范围内发生C>T的单核苷酸变异分别增加了94.5%和231.9%。而且，目前常用的脱靶预测软件Cas-OFFinder软件难以预测到上述额外增加的C>T单核苷酸变异的脱靶位点。

此外，研究还发现，这些C>T的变异在染色体间均匀分布，但是在转录活跃区呈现出富集的趋势。与CBE系统相反，ABE系统的单核苷酸变异数量与对照组无显著性差异，并没有检测到基因组内的脱靶效应，表现出非常高的特异性。

研究人员总结道，ABE编辑器能够精准实现单碱基编辑, 但BE3和HF1-BE3的胞嘧啶编辑器在全基因组范围都存在脱靶编辑, 脱靶的原因很可能是所用的胞嘧啶脱氨酶或UGI引起基因组随机变异。该研究对单碱基编辑工具的应用和下一步改造具有重要指导意义。未来，如何降低或消除胞嘧啶单碱基编辑工具的脱靶, 将是基因编辑技术优化的一个重要方向。