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建立植物基因组引导编辑技术体系
日期:2020-04-21 作者:未知 来源:中国科学院 点击:
     基因组编辑技术可以定向修饰植物基因组,从而大大加速植物育种的进程,是实现作物精准育种的重要技术突破。然而,作物的许多重要农艺性状是由基因组中的单个或少数核苷酸的改变或突变造成的。基于 CRISPR/Cas 系统的基因组编辑,可利用外源修复模板通过同源重组介导的修复方式(HDR)实现目标基因特定核苷酸的改变。目前,同源重组在植物中的效率非常低,很难以此方式实现高效、稳定的植物基因组的精准编辑。CRISPR 系统所衍生的胞嘧啶和腺嘌呤碱基编辑器,可以分别在基因组靶向位点实现 C:G>T:A 或 A:T>G:C 的碱基替换。然而,碱基编辑技术还不能实现其它类型的碱基替换(C:G>A:T 和 A:T>C:G)及碱基转换(C:G>G:C 和 A:T>T:A),更不能实现片段的精准插入和删除。因此,植物育种和基因功能研究迫切需要可以高效、精准实现任意碱基替换、增添或删除的基因组定向编辑技术体系。
    哈佛大学教授 David R.Liu 研究团队在哺乳动物中开发了全新的基因组引导编辑(Prime Editing)系统。该系统由 nCas9(H840A)融合逆转录酶(RT)和 pegRNA(prime editing guide RNA))两部分组成。pegRNA 通过在 sgRNA 骨架的 3’端引入 PBS 序列(Primer binding site)结合到 nCas9 断裂的非靶标链上,逆转录酶根据其携带的 RT 模板逆转录出相应的含有目的突变的单链 DNA。
    细胞进一步通过 DNA 损伤修复把目的突变引入基因组。此外,在 Cas9 非靶标链上引入能在产生缺刻的 nicking sgRNA,有助于提升引导编辑的效率。近日,中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组与 David R. Liu 研究组合作成功建立并优化了适用于植物的引导编辑系统(Plant Prime Editing,PPE),并在重要农作物水稻和小麦基因组中实现精确的碱基替换、增添或删除。
    研究人员首先通过 PPE 系统在水稻和小麦原生质体中实现了 16 个内源位点的精准编辑,包括 12 种类型的单碱基替换、多碱基替换、小片段的精准插入和删除,编辑效率最高可达 19.2%。进一步研究发现,该系统的编辑效率受到 PBS和/或 RT 模板长度以及 nicking sgRNA 位置的影响。研究人员对 PPE 系统进行了一系列的优化,发现 37℃条件下培养可以显著提升该系统的编辑效率(1.6 倍),通过引入核酶对 pegRNA 进行自加工,也可以在部分位点提高编辑效率。此外,来源于植物花椰菜花叶病毒和大肠杆菌 retron 系统的逆转录酶可以与 nCas9 融
合在植物中实现精准引导编辑。最后,研究人员通过 PPE 成功获得了单碱基突变、多碱基突变及精准删除的水稻突变体植株,效率最高可达 21.8%,这些突变均难以通过现有的基因编辑系统实现。虽然 Plant Prime Editing 系统在部分位点上C:G>T:A 或 A:T>G:C 的效率低于单碱基编辑系统,但是该系统可以实现所有类型的碱基置换,以及碱基增加和删除。PPE 极大地扩展了植物基因组编辑范畴,为植物基因组功能解析及实现作物精准育种提供了重要技术支撑。
    研究成果于 3 月 16 日在线发表于 Nature Biotechnology 杂志(DOI:10.1038/s41587-020-0455-x)。遗传发育所高彩霞研究组博士生林秋鹏、博士后宗媛以及博士生薛郴销为该论文的共同第一作者,高彩霞为论文的通讯作者。高彩霞研究组的研究得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、国家重点研发计划的资助。
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