高彩霞研究组在多重基因组编辑技术方法研究中取得新进展

多重基因组编辑体系的开发对于动物疾病模型的创制、动植物农艺性状的叠加或改良以及基因调控通路的控制等具有重要意义。多重基因组编辑技术作为一种基础的植物生物技术方法，已经被应用于作物QTL基因的编辑，作物驯化和无融合生殖技术等。但是，大多数的植物多重基因组编辑技术开发集中在多sgRNA的表达，以实现同一编辑类型的多基因编辑。可用于产生不同编辑类型的植物多重基因组编辑系统的报道仍比较少。近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组基于Cas9 nickase (nCas9)核酸酶开发了一个名为单系统产生的同时多重编辑系统(Simultaneous and Wide-editing Induced by a Single System, SWISS)。SWISS利用两个含有不同RNA配体的RNA scaffold (scRNA)分别招募相应结合蛋白融合的胞嘧啶脱氨酶或腺嘌呤脱氨酶，同时在不同的靶位点分别实现CBE和ABE两种编辑类型。再利用nCas9的切口酶活性，将成对的sgRNA引入到SWISS系统中，可以在第三个靶位点处产生DSB，使得SWISS成为具有三重(C-to-T、A-to-G和Knock out)编辑功能的CRISPR系统。

研究者首先使用报告系统对分别用于介导CBE和ABE碱基编辑功能的高效scRNA进行了高通量的筛选，并用水稻内源靶位点对候选scRNA进行了验证。最终选择了具有3￠端RNA配体的esgRNA-2×MS2和esgRNA-2×boxB，分别用于介导的CBE和ABE的碱基编辑功能。开发的SWISSv1.1用于实现C-to-T和Knock out双重功能编辑；SWISSv1.2用于实现A-to-G和Knock out双重功能编辑。在SWISSv2中同时表达胞嘧啶脱氨酶模块和腺嘌呤脱氨酶模块，实现C-to-T和A-to-G双重功能编辑；在SWISSv2中引入成对的sgRNA，成为SWISSv3，实现C-to-T、A-to-G和Knock out三重功能编辑(图)。并且，SWISSv3在水稻植株中同时产生三种编辑事件的效率为7.3%。

SWISS技术体系的建立，有望用于植物分子设计育种、基因性状叠加和调控通路的改变等。此外，本研究中使用正交的RNA配体-结合蛋白对，如MS2-MCP、PP7-PCP、boxB-N22p、Com-com，进一步扩展了用于植物合成生物学研究的工具箱，有利于在植物体内执行综合的信号通路、基因通路以及生物传感器的控制研究。该研究成果于2020年6月16日在线发表于Genome Biology杂志(DOI:10.1186/s13059-020-02051-x)。高彩霞研究组博士生李超为本文第一作者，高彩霞研究员和王延鹏青年研究员为共同通讯作者。该研究得到中国科学院先导专项A、国家自然基金委、北京市科委重大项目经费资助。