上海生科院利用CRISPR/Cas9系统对水稻基因组进行高效碱基替换

12月5日，《分子植物》（Molecular Plant）杂志在线发表了中国科学院上海生命科学研究院上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究组题为Precise editing of a target base in the rice genome using a modified CRISPR/Cas9 system 的研究论文。该研究利用碱基修饰酶APOBEC1在水稻中开发了CRISPR/Cas9的碱基编辑技术，提供了一种简单高效的碱基突变方法，将进一步促进CRISPR/Cas9技术在植物基因组学研究和农作物分子设计育种中的应用。

碱基置换突变指一个碱基被另一个碱基取代，是最常见的突变形式。越来越多的研究表明，大部分生物性状的改变都存在着相关基因的突变，其中以碱基置换突变即点突变最为常见。寻求高效的单碱基编辑技术一直以来都是植物研究的热点和难点。目前，CRISPR/Cas9系统都利用修复途径中占非主导作用的同源介导修复（HDR）来实现更为精确的基因编辑，但该修复的效率很低，大大影响了CRISPR/Cas9的编辑效果。近日，哈佛大学的研究人员通过将能将胞嘧啶（C）转变为尿嘧啶（U）的碱基修饰酶APOBEC1与改造后的切单链DNA的Cas9绑定在一起，构建了一种新型的碱基编辑器。在该系统中，不需要切断双链DNA，导向RNA将改造的Cas9引导到目标位置，碱基修饰酶APOBEC1发挥碱基置换作用。该系统已在人类细胞中证实，可实现高效的靶向碱基C→T或者G→A的碱基编辑。

逆境中心朱健康研究组基于APOBEC1功能，在水稻中开发了一种新的碱基编辑系统。研究人员合成了APOBEC1，并利用XTEN作为接头，将其融合到Cas9（D10A）的N末端，同时将核定位信号肽（NLS）添加到Cas9（D10A）的C末端。改造后半激活式的Cas9可切割非编辑的那条链，并通过诱导碱基切除修复（base-excision repair）解决U:G的错配，从而实现高效的碱基替换。研究人员通过对两个编码重要农艺性状的水稻基因NRT1.1B和SLR1进行单碱基C→T或C→G的单碱基编辑，单碱基替换的效率为1.4%-11.5%，与在动物中的编辑效率相似（1.6%-3.9%）。但同时也发现，在水稻稳定遗传转化系统中，有大约10%的序列显示核苷酸的插入。

该研究利用碱基修饰酶实现了C→T和C→G（G→A和G→C）替换，在植物中建立的碱基编辑策略具有简单、高效以及部分适用性的优点，将使得特定碱基编辑成为植物基因功能研究和作物育种的一种常规实践。该技术大大拓展了CRISPR/Cas9技术在植物中的应用，为植物基因功能解析和作物分子育种提供了一项新的技术路线。

该工作得到了中科院经费的支持。

上海生科院利用CRISPR/Cas9系统对水稻基因组进行高效碱基替换