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Nature | 不可思议!北京大学伊成器团队发现线粒体碱基编辑器诱导大量核脱靶突变

DddA 衍生的胞嘧啶碱基编辑器 (DdCBE) 是分裂 DddA 半部分和转录激活因子样效应器 (TALE) 阵列蛋白的融合体,可实现线粒体 DNA 中的靶向 C·G 到 T·A 转换。然而,人们对其全基因组特异性知之甚少。

2022年5月12日,北京大学伊成器团队在Nature 在线发表题为“Mitochondrial base editor induces substantial nuclear off-target mutations”的研究论文,该研究显示线粒体碱基编辑器在核基因组中诱导广泛的脱靶编辑。对其编辑组的全基因组、无偏分析揭示了数百个与 TALE 阵列序列 (TAS) 相关或独立的脱靶位点。
核 DNA (nDNA) 中依赖于 TAS 的脱靶位点通常仅由两个 TALE 重复序列中的一个指定,这挑战了 DdCBE 由靠近定位的配对 TALE 蛋白引导的原则。与 TAS 无关的 nDNA 脱靶位点经常在具有不同 TALE 阵列的 DdCBE 之间共享。值得注意的是,它们与 CTCF 结合位点强烈共定位,并且富含 TAD 边界。该研究还设计了 DdCBE 来减轻这种脱靶效应。总的来说,该研究结果对在基础研究和治疗应用中使用 DdCBE 有影响,并表明需要彻底定义和评估碱基编辑工具的脱靶效应。

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已知线粒体 DNA (mtDNA) 的突变与大多数成人发病的线粒体疾病有关,每 5000 名成人中约有 1 人受到影响。虽然已经报道了很多与 mtDNA 突变相关的严重综合征,但有效的治疗方法很少,也没有已知的治愈方法。 为了应对这样的挑战,已经开发了各种基因治疗策略。例如,线粒体靶向核酸酶,如锌指核酸酶 (ZFN) 和转录激活因子样效应核酸酶 (TALEN),已被用于通过直接降解突变的 mtDNA 分子来降低细胞中的异质性水平。
最近,据报道,无 RNA 的 DddA 衍生的胞嘧啶碱基编辑器 (DdCBE) 可以精确编辑 mtDNA 而不会导致双链断裂。因此,与以前基于破坏的策略不同,新方法不会将 mtDNA 的拷贝数降低到有害的低水平,特别是对于高突变负荷的情况。
线粒体碱基编辑器基于 DddAtox,这是一种细菌毒素,可催化双链 DNA (dsDNA) 上的脱氧胞嘧啶 (dC) 转化为脱氧尿嘧啶 (dU)。为了避免潜在的毒性,脱氨酶被分成两半,一个包含 DddAtox 的 N 末端 (DddAtox-N),另一个包含 C 末端 (DddAtox-C)。当由一对线粒体靶向信号 (MTS) 连接的 TALE 蛋白组装时,这些半部分将重建脱氨活性,其方式类似于 ZFN 和 TALEN 中 FokI 单体的组装。因此,只有当两个 TALE 重复同时与目标基因组位点结合时,DdCBE 才诱导预期的 dC 到 dU 编辑。
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提高 DdCBE 特异性的策略(图源自Nature 
虽然 DdCBE 是一种很有前途的线粒体疾病方法,但仍缺乏对其脱靶效应的公正和全面的分析。Mok 及其同事根据对核假基因的分析,报告了 mtDNA 中不同程度的脱靶编辑,并且在核 DNA (nDNA) 中没有脱靶效应;然而,DdCBE 的全基因组特异性仍未得到解决。该研究显示线粒体碱基编辑器在核基因组中诱导广泛的脱靶编辑。对其编辑组的全基因组、无偏分析揭示了数百个与 TALE 阵列序列 (TAS) 相关或独立的脱靶位点。

核 DNA (nDNA) 中依赖于 TAS 的脱靶位点通常仅由两个 TALE 重复序列中的一个指定,这挑战了 DdCBE 由靠近定位的配对 TALE 蛋白引导的原则。与 TAS 无关的 nDNA 脱靶位点经常在具有不同 TALE 阵列的 DdCBE 之间共享。值得注意的是,它们与 CTCF 结合位点强烈共定位,并且富含 TAD 边界。该研究还设计了 DdCBE 来减轻这种脱靶效应。总的来说,该研究结果对在基础研究和治疗应用中使用 DdCBE 有影响,并表明需要彻底定义和评估碱基编辑工具的脱靶效应。

参考消息:
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04836-5


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