5月23日，Genome Biology 發(fā)表了一篇題為《人分裂期胚胎介導(dǎo)高效的單堿基編輯》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所（中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院靈長類神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊輝研究組與上海交通大學(xué)仁濟(jì)醫(yī)院教授陳子江、俄勒岡健康科學(xué)大學(xué)教授Shoukhrat Mitalipov研究組合作完成。該研究建立了一種在人早期胚胎中高效實(shí)現(xiàn)單堿基編輯的技術(shù)。 

　　傳統(tǒng)的 CRISPR/Cas9 誘導(dǎo)雙鏈斷裂 (DSB) 可以通過同源重組修復(fù) (HDR) 來解決，并被用來引入或糾正特定基因組位點(diǎn)的點(diǎn)突變。然而，雙鏈斷裂會(huì)頻繁地通過非同源末端連接(NHEJ)途徑來修復(fù)DNA，導(dǎo)致額外的插入缺失突變（Indel），而外源模板介導(dǎo)的同源重組修復(fù)效率在人類胚胎中相當(dāng)?shù)?，從而限制了其在早期胚胎發(fā)育研究中的應(yīng)用。最近，一些研究報(bào)道，單堿基編輯器 (Base editor) 允許 T·A 至 C·G 或 C·G 至 T·A 轉(zhuǎn)換，提供了一種強(qiáng)大而安全的方法來誘導(dǎo)特定的點(diǎn)突變，或者更重要的是糾正由單堿基突變導(dǎo)致的遺傳病。但人類胚胎的單堿基編輯效率普遍較低 (低于 30%)，經(jīng)常導(dǎo)致嵌合體，限制了目前單堿基編輯在人類胚胎發(fā)育研究中的應(yīng)用。

    人類胚胎 (4 ~ 8 細(xì)胞階段) 的合子基因激活 (ZGA) 的發(fā)生通常比小鼠胚胎 (2 細(xì)胞階段) 晚，作者們研究了受精后不同時(shí)間點(diǎn)人類胚胎中 Base editor的編輯效率。BE3 和 ABE7.10 在2細(xì)胞和4細(xì)胞時(shí)期注射編輯效率遠(yuǎn)高于中期 (MII) 卵母細(xì)胞或受精卵注射。相比之下，在人分裂期胚胎中，聯(lián)合注射 cas9 mRNA、ssDNA 和相應(yīng)的 sgRNA 所產(chǎn)生的同源重組效率沒有得到提高，這意味著單堿基編輯和同源重組介導(dǎo)的修復(fù)機(jī)制在人早期胚胎中可能不同。通過在2細(xì)胞時(shí)期注射單堿基編輯器，作者發(fā)現(xiàn)其以非常高的效率 (91%) 向Oct4 基因中提前引入終止密碼，這將為研究人類胚胎發(fā)育中的基因功能提供一種強(qiáng)有力的方法。 

　　此外，作者還通過分裂期胚胎注射單堿基編輯器成功糾正了MUT 基因中的雜合型的A>G 突變，該突變可能導(dǎo)致遺傳性的發(fā)育缺陷綜合癥，通過直接堿基編輯，效率可高達(dá) 80%，規(guī)避了通過非同源末端連接修復(fù)引起的插入缺失突變風(fēng)險(xiǎn)。雖然分裂期胚胎進(jìn)行單堿基編輯可以達(dá)到很高的效率，但是未來其在臨床上的應(yīng)用還有待于更為嚴(yán)格的安全性評(píng)估。 

　　該項(xiàng)工作由上海交通大學(xué)仁濟(jì)醫(yī)院章美玲，中科院神經(jīng)所博士研究生周昌陽、魏喻和博士后胥春龍等科研人員，在楊輝、陳子江，Shoukhrat Mitalipov的共同指導(dǎo)下完成，課題組的其他成員積極參與，并得到了神經(jīng)所光學(xué)平臺(tái)、仁濟(jì)醫(yī)院的大力協(xié)助，是眾多課題組通力合作的成果。該工作得到國家高科技研發(fā)項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、上海市科技重大項(xiàng)目、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)項(xiàng)目、上海市輔助生殖與生殖遺傳學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金等的資助。

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　　圖：單堿基編輯器原理及人胚胎單堿基編輯實(shí)驗(yàn)流程：(a) 單堿基編輯器示意圖。 (b) 不同分裂期人胚胎單堿基編輯實(shí)驗(yàn)流程。(c，d，e，f，h，i) 相對(duì)于受精卵時(shí)期胚胎，人2和4細(xì)胞胚胎中不同基因位點(diǎn)的單堿基編輯效率得到顯著提高。