剪切、復(fù)制、粘貼，消除不需要的基因片段，換上想要的基因片段，這就是基因組編輯技術(shù)。這把“基因剪刀”被科學(xué)家應(yīng)用在各種動植物的基因修復(fù)與改造中，為醫(yī)學(xué)、健康、農(nóng)業(yè)等帶來了突破性革命。

為了更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)基因組編輯，近年來，科學(xué)家不斷探索更多方法發(fā)展基因組編輯技術(shù)。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員高彩霞團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院院士李家洋團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了高效設(shè)計(jì)pegRNA，以及提高植物引導(dǎo)編輯效率的新策略，為實(shí)現(xiàn)植物基因組功能解析和作物精準(zhǔn)育種提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《自然—生物技術(shù)》。

更精準(zhǔn)的“夢想”

2019年10月，美國哈佛大學(xué)教授劉如謙團(tuán)隊(duì)開發(fā)了全新的基因組引導(dǎo)編輯技術(shù)（Prime Editing）。該技術(shù)能夠在基因組的靶位點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)片段的精準(zhǔn)插入、刪除及堿基的任意替換，被稱為是“超越CRISPR”的重大突破。

引導(dǎo)編輯系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：一是nCas9（H840A）與工程化改造的逆轉(zhuǎn)錄酶（RT）組成的融合蛋白；二是包含PBS序列和RT模板序列的pegRNA。

2020年，高彩霞團(tuán)隊(duì)擴(kuò)展了引導(dǎo)編輯技術(shù)的應(yīng)用，首次在水稻和小麥中成功建立并優(yōu)化了適用于植物的引導(dǎo)編輯器（PPE），為實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物精準(zhǔn)基因組編輯提供了技術(shù)支撐。

“目前的引導(dǎo)編輯器在植物中的工作效率依舊偏低，需要進(jìn)一步優(yōu)化?！备卟氏几嬖V《中國科學(xué)報(bào)》，“我們之前的研究發(fā)現(xiàn)植物引導(dǎo)編輯效率很大程度上受到PBS序列和RT模板序列的影響，這暗示著對pegRNA序列進(jìn)行合理設(shè)計(jì)有助提高引導(dǎo)編輯效率?！?/p>

兩種新策略

如何提升引導(dǎo)編輯效率并快速獲取高效形式的pegRNA，是植物引導(dǎo)編輯技術(shù)亟須解決的問題。

一開始，研究人員篩選了高效形式的pegRNA，并希望能找到一般性規(guī)律。 然而，事與愿違。常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，限制了引導(dǎo)編輯技術(shù)在植物中的應(yīng)用。

于是，研究人員另辟新路。

由于引導(dǎo)編輯系統(tǒng)的PBS序列與非靶標(biāo)鏈結(jié)合是起始逆轉(zhuǎn)錄過程的重要條件，而熔解溫度（Tm）決定了兩條鏈結(jié)合的緊密程度，因此他們推測PBS的Tm值有可能對引導(dǎo)系統(tǒng)的編輯效率有重要影響。

為驗(yàn)證推測，研究人員在18個(gè)內(nèi)源位點(diǎn)進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，當(dāng)PBS的Tm值為30℃左右時(shí)，引導(dǎo)編輯效率在多數(shù)水稻內(nèi)源位點(diǎn)上達(dá)到最高，并且隨著溫度的增高或降低均呈現(xiàn)遞減的趨勢。這也驗(yàn)證了他們的猜想。

研究人員還設(shè)想，為一個(gè)DNA位點(diǎn)的正鏈和負(fù)鏈各設(shè)計(jì)一個(gè)pegRNA，利用DNA兩條鏈之間存在的反向互補(bǔ)序列，同時(shí)“啟動”細(xì)胞中的其他修復(fù)途徑，共同提高引導(dǎo)編輯系統(tǒng)效率。

他們在15個(gè)水稻內(nèi)源位點(diǎn)測試了該策略。結(jié)果表明，該策略與分別遞送單個(gè)pegRNA方法相比效率平均可以提升3倍。他們將該改進(jìn)策略命名為“雙pegRNA策略”。

另外，實(shí)驗(yàn)還表明，運(yùn)用SpG變體可以進(jìn)一步拓展雙pegRNA策略的編輯范圍。

建立新平臺

對于這一成果，國際同行專家給出了高度評價(jià)：“鑒于引導(dǎo)編輯技術(shù)的迅猛發(fā)展，該工作將對基因組編輯領(lǐng)域產(chǎn)生很大影響?！?/p>

“pegRNA的設(shè)計(jì)相對復(fù)雜。如何建立一個(gè)平臺，幫助科研人員針對所需位點(diǎn)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，并構(gòu)建高效的引導(dǎo)編輯策略，以方便大家使用，在這方面李家洋團(tuán)隊(duì)非常有經(jīng)驗(yàn)。”高彩霞說。

為此，基于上述兩個(gè)策略，研究人員開發(fā)了植物pegRNA設(shè)計(jì)網(wǎng)站PlantPegDesigner。

該網(wǎng)站可以提供一系列參數(shù)供使用者根據(jù)需要進(jìn)行個(gè)性化選擇，并可以推薦完整的pegRNA選擇、設(shè)計(jì)與構(gòu)建方案，方便使用者快速篩選高活性pegRNA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)設(shè)計(jì)方案或其他pegRNA設(shè)計(jì)網(wǎng)站相比，該網(wǎng)站設(shè)計(jì)的pegRNA具有更高的編輯效率。

專家指出，實(shí)現(xiàn)重要農(nóng)作物精準(zhǔn)基因組編輯對加快農(nóng)作物遺傳改良進(jìn)程具有重要意義。下一步，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)優(yōu)化策略，提升網(wǎng)站平臺，為作物品種改良等提供更高效、精準(zhǔn)的新工具。

相關(guān)論文信息：

https:///10.1038/s41587-021-00868-w