(相關(guān)資料圖)
基于CRISPR系統(tǒng)開發(fā)出的引導(dǎo)編輯系統(tǒng)（Prime Editing, PE）能夠在基因組的靶位點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的片段插入、刪除及堿基的任意替換，在基因治療、育種改良、基礎(chǔ)研究等方面展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞研究組前期在水稻、小麥中建立并優(yōu)化了植物引導(dǎo)編輯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了任意堿基精準(zhǔn)的替換、增添或刪除。然而在應(yīng)用過程中，研究組也發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)依然存在效率偏低、設(shè)計(jì)復(fù)雜等問題，難以滿足育種需要及在不同基礎(chǔ)研究場景下的需求（Lin et al., Nature Biotechnology, 2020）。對(duì)此，研究組通過對(duì)PE系統(tǒng)進(jìn)行多輪升級(jí)改造，成功開發(fā)了“Tm值指導(dǎo)PBS序列設(shè)計(jì)”、“雙pegRNA策略”及“逆轉(zhuǎn)錄酶的工程化改造”三種優(yōu)化策略，將引導(dǎo)編輯系統(tǒng)效率平均提升了10倍以上，并開發(fā)了在線的高效、自動(dòng)化引導(dǎo)編輯實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)網(wǎng)站PlantPegDesigner（Lin et al., Nature Biotechnology, 2021; Zong et al., Nature Biotechnology, 2022）。
為了進(jìn)一步推進(jìn)引導(dǎo)編輯的應(yīng)用，高彩霞研究組應(yīng)邀在Nature Protocols雜志發(fā)表文章，詳細(xì)介紹了如何克服引導(dǎo)編輯設(shè)計(jì)復(fù)雜的問題。該論文首先描述了高效pegRNA的設(shè)計(jì)方法：前期研究發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞中pegRNA的編輯效率與PBS序列的Tm值（melting temperature,Tm）有關(guān)，在水稻中PBS序列Tm值為30℃的pegRNA能夠獲得最大的編輯效率；使用雙pegRNA策略，即針對(duì)所需突變同時(shí)向細(xì)胞中遞送分別靶向DNA兩條鏈的兩個(gè)pegRNA進(jìn)行共同編輯，可以進(jìn)一步大幅度提升植物引導(dǎo)編輯的編輯效率。接下來，作者詳細(xì)描述了在線自動(dòng)化pegRNA設(shè)計(jì)網(wǎng)站PlantPegDesigner的使用流程，該網(wǎng)站能夠兼顧上述兩種策略，提供完整的pegRNA選擇、設(shè)計(jì)與推薦方案，方便使用者快速設(shè)計(jì)高活性pegRNA。進(jìn)一步地，該論文對(duì)如何使用能夠穩(wěn)定提高編輯效率的ePPE引導(dǎo)編輯器進(jìn)行了詳細(xì)描述。相比于傳統(tǒng)版本的引導(dǎo)編輯器，ePPE在堿基替換、小片段插入、刪除以及較大片段的插入和刪除等多種編輯類型下的編輯效率顯著提升，且不增加副產(chǎn)物及脫靶效應(yīng)。接下來，本論文對(duì)載體組合的使用、基于原生質(zhì)體的編輯效率檢測、引導(dǎo)編輯系統(tǒng)的植物細(xì)胞熒光報(bào)告系統(tǒng)的使用和引導(dǎo)編輯實(shí)驗(yàn)結(jié)果的二代測序數(shù)據(jù)分析等流程進(jìn)行了詳細(xì)描述。使用該文章描述的實(shí)驗(yàn)方法，可以在2～3周內(nèi)完成引導(dǎo)編輯的原生質(zhì)體實(shí)驗(yàn)，最快在3個(gè)月內(nèi)獲得經(jīng)過引導(dǎo)編輯的再生水稻植株。此外，該方法可以便捷地推廣到其他物種中，并隨著新型引導(dǎo)編輯工具的不斷優(yōu)化而得到更廣泛的應(yīng)用。
三位審稿人均對(duì)該文章給予了高度評(píng)價(jià)：“作者全面、系統(tǒng)地介紹了如何在作物中實(shí)現(xiàn)高效的基因組編輯，以流暢、易讀的方式總結(jié)了引導(dǎo)編輯的實(shí)驗(yàn)方法”；“該論文邏輯清晰，對(duì)想在水稻或其他植物物種中進(jìn)行引導(dǎo)編輯的研究人員非常有用”；“這是一篇想對(duì)水稻、小麥或玉米進(jìn)行引導(dǎo)編輯的科研人員的非常好的實(shí)驗(yàn)指南”。
該文章于2020年11月25日在線發(fā)表于Nature Protocols雜志（DOI:10.1038/s41596-022-00773-9）。高彩霞研究組博士后靳帥、林秋鵬為該論文的第一作者，高彩霞研究員為通訊作者。北京齊禾生科生物科技有限公司的高強(qiáng)博士參與了此項(xiàng)工作。該研究得到農(nóng)業(yè)部、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)A、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)青年人才托舉工程、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)資助。
圖：高效植物引導(dǎo)編輯實(shí)驗(yàn)流程。(a) 高效、自動(dòng)化的pegRNA 設(shè)計(jì)方法 (b) 引導(dǎo)編輯實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與植物突變體獲得。
標(biāo)簽： 引導(dǎo)編輯系統(tǒng)
