【化学生物学】汪骞/高雪团队联合提出精准碱基编辑的理论框架- 大数跨境

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2021-11-16

导读：中国科学技术大学物理系汪骞研究员、美国莱斯大学高雪教授和Kolomeisky教授合作，结合理论计算、分子模拟与实验验证，揭示了利用脱氨酶突变提高靶标C编辑特异性的理论依据

注：文末有作者课题组招聘信息

基于CRISPR-Cas9系统的DNA碱基编辑器（BE）可以在不产生双链DNA断裂的情况下对目标DNA的单个碱基直接进行编辑。胞嘧啶脱氨酶和nickase Cas9 (D10A) 组成的融合蛋白，即胞嘧啶碱基编辑器（CBE），是重要的新一代精准基因编辑工具。它能够实现编辑窗口内胞嘧啶到胸腺嘧啶（C-to-T）的高效转换，有效避免双链断裂带来的随机DNA片段删除和插入（Indels）。然而如果靶标（target）和非靶标（bystander）胞嘧啶碱基同时存在于碱基编辑窗口内（一般为spacer间隔序列4-10 nt），则CBE无法区别两者，往往进行无选择编辑。针对这一问题，高雪团队已开发基于APOBEC3G的CBE (A3G-CBE) ^[1]。通过在脱氨酶APOBEC3G特定位点引入突变，可以在不影响目标碱基编辑效率的情况下显著降低近邻碱基的编辑效率，实现对“CC”序列中第二个C的选择性编辑。然而，突变方案的设计目前主要依赖于经验推测和大量实验验证，缺乏普适性理论引导。

中国科学技术大学物理系汪骞研究员、美国莱斯大学高雪教授和Kolomeisky教授合作，结合理论计算、分子模拟与实验验证，揭示了利用脱氨酶突变提高靶标C编辑特异性的理论依据，并于近日在Nature Communications 杂志上发表了研究成果。汪骞团队利用离散态随机模型描述了BE的工作过程，并分别求出了目标碱基和邻近碱基编辑效率的解析表达式。理论计算结果表明，可以通过调节脱氨酶和单链DNA的结合自由能，ΔΔE_m，来增强BE对目标碱基的选择性，且ΔΔE_m的最优解可以通过理论计算获得。在对多种脱氨酶突变方案进行筛选时，汪骞团队利用分子动力学模拟对每种方案对应的自由能进行估计，找到与理论最优解接近的突变方案，然后交予实验验证。

图1. 碱基编辑器工作的理论模型。

利用此理论框架，作者们首先定量解释了A3A-BE多种突变对其选择性造成的影响。在此基础上，作者们进一步将此模型应用在新的BE系统A3G-BE上，旨在实现对“CC”序列中第二个C的选择性编辑。在理论引导下，作者们发现了新的突变方案，大大提高了BE对目标碱基的选择性。

图2. 利用理论模型设计新型碱基编辑器。

中国科学技术大学物理系汪骞研究员和莱斯大学高雪课题组博士后杨洁为本文的共同第一作者。汪骞研究员、莱斯大学高雪教授和Kolomeisky教授为本文共同通讯作者。该研究得到了中国国家自然科学基金、中国科学技术大学青年创新重点基金、美国国家自然科学基金、美国国家卫生院等资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

A general theoretical framework to design base editors with reduced bystander effects

Wang, Q.†*, Yang, J.†, Zhong, Z.C., Vanegas, J.A., Gao, X.*, Kolomeisky, A.B.*

Nat. Commun., 2021, 12, 6529, DOI: 10.1038/s41467-021-26789-5

参考文献：

[1] Lee, S.S.†, Ding, N.†, Sun, Y.D, Yuan, T.L., Li, J., Yuan, Q.C., Liu, L.Z., Yang, J., Wang, Q., Kolomeisky, A.B., Hilton, I.B, Zuo, E.W.*, Gao, X.*, “Single C-to-T substitution using engineered APOBEC3G-nCas9 base editors with minimum genome- and transcriptome-wide off-target effects.” Science Advances, 2020, https://advances.sciencemag.org/content/6/29/eaba1773.

招聘启事两则

1. 中国科学技术大学物理系汪骞课题组诚招博后一名。欢迎具有分子动力学模拟、生物信息等背景的优秀科研人员加盟。联系邮箱：wqq@ustc.edu.cn

课题组网页：

http://staff.ustc.edu.cn/~wqq

2. 美国莱斯大学高雪教授课题组招博士后三名（CRISPR工具开发在基因疾病治疗、合成生物学以及天然产物化合物分离各一名）、博士研究生两名，欢迎具有生物学，生物化学、化学，分子生物工程等相关专业背景加盟，硕士以及有相关科研经验的本科毕业生优先考虑。

高雪教授任职于全美顶尖私立大学莱斯大学（Rice University），在Nature, Nature Chemical Biology, Science Advances, Nature Communications, JACS, Angew. Chem. Int. Ed. 发表多篇通讯作者或第一作者文章。其实验室位于世界最大医学中心，紧邻MD Anderson 癌症中心，贝勒医学中心，资源丰富（实验楼如图所示）。课题组研究方向包括：基因编辑、合成生物学、分子生物学、化学生物学以及相关交叉学科。课题组已经取得多项美国国家NIH R01/R35, welch foundation, NSF经费支持，科研经费充足。