非脱氨酶依赖的嘧啶碱基编辑器TBE

　　

DNA碱基编辑工具的进步为疾病治疗带来了巨大的希望，可修复由单核苷酸多态性（SNPs）【1】引起的单基因遗传疾病。目前，胞嘧啶碱基编辑器和腺嘌呤碱基编辑器主要依靠脱氨酶将胞嘧啶（C）或腺嘌呤（A）转化为尿嘧啶（U）或肌苷（I），脱氨后的U和I会分别被识别为胸腺嘧啶（T）和鸟嘌呤（G），从而促进C-to-T和A-to-G碱基变化【2-4】。在此基础上，进一步引入DNA糖基化酶切割中间产物U或I，产生无尿嘧啶/无嘧啶位点（AP位点），可以实现碱基的颠换，包括C-to-G转换的CGBE【5、6】和A-to-T/C转换的AYBE【7、8】。但以上碱基编辑工具均依赖脱氨酶，限制了它们编辑T和G的能力，并且由于脱氨酶的过表达会引起一定的脱靶效应。

2024年7月30日，北京大学魏文胜课题组在Nature Communications杂志在线发表题为 “Programmable DNA pyrimidine base editing via engineered uracil-DNA glycosylase”的研究论文，报道了一种名为TBE（Thymine base editor）的不依赖脱氨酶的DNA碱基编辑工具。与现存的其他胸腺嘧啶编辑工具相比，TBE表现出更高的编辑效率、更小的细胞毒性和更低的脱靶现象。

图1: 不依赖于脱氨酶的碱基编辑器

研究人员关注到人源化尿嘧啶DNA-糖基化酶（hUNG）的两个突变体可以在体外实现对胞嘧啶和胸腺嘧啶的直接切割【10】。因此，通过将hUNG突变体与Cas9蛋白结合，sgRNA靶向编辑位点可以在体内实现对DNA序列中的C和T的直接编辑（图1），其中在报告系统上编辑C的效率可达到30%，与现存的CGBE编辑效率类似，但针对T的hUNG突变体编辑效率较低。

为了进一步提高胸腺嘧啶的编辑效率，研究人员通过对UNG结构理性设计、同源蛋白检索、定向进化筛选的策略找到了来自耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）的尿嘧啶DNA-糖基化酶（DrUNG）突变体可以在多个人类基因组位点上实现高效的胸腺嘧啶编辑（图2），编辑结果显示平均T-to-C, T-to-G及T-to-A的比例为52%，30%和18%。通过优化连接氨基酸、引入具有合成倾向性的DNA聚合酶，还可以进一步提高编辑效率与编辑纯度。全面评估显示，TBE在基因组或转录组水平上都不会导致严重的脱靶编辑，这表明其具有高度的编辑特异性。

图2: TBEs在人类基因组多个内源位点实现高效的编辑

近期，多个团队也报道了基于人源化糖基化酶的胸腺嘧啶碱基编辑器【11-12】。通过比较32个内源位点编辑结果，研究人员发现与基于人源的胸腺嘧啶碱基编辑器相比，TBE展现出更高的编辑效率。此外，细胞毒性实验也表明TBE具有更小的细胞毒性。

最后，通过将DrUNG突变体的mRNA与nickase SpCas9融合蛋白和sgRNA共转染到原代成纤维细胞中的α-L-艾杜糖醛酸酶缺陷细胞中，可以观察到该酶活性的恢复，证明了TBEs在相关疾病治疗方面的潜在应用前景。

北京大学/昌平实验室魏文胜课题组博士后伊宗裔、博士后张小雪、博士研究生魏晓旭、本科生李佳怡（2024级研究生新生）为论文的共同第一作者。本研究获得了国家自然科学基金，昌平实验室，北大-清华生命科学中心及中国博士后科学基金资助。

【1】 Porto, E.M., Komor, A.C., Slaymaker, I.M. & Yeo, G.W. Base editing: advances and therapeutic opportunities.  Nat Rev Drug Discov 19, 839—859 (2020).

【2】 Anzalone, A.V., Koblan, L.W. & Liu, D.R. Genome editing with CRISPR-Cas nucleases, base editors, transposases and prime editors.  Nat Biotechnol 38, 824—844 (2020).

【3】 Gaudelli, N.M. et al. Programmable base editing of A*T to G*C in genomic DNA without DNA cleavage.  Nature 551, 464—471 (2017).

【4】 Komor, A.C., Kim, Y.B., Packer, M.S., Zuris, J.A. & Liu, D.R. Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage.  Nature 533, 420—424 (2016).

【5】 Zhao, D. et al. Glycosylase base editors enable C-to-A and C-to-G base changes.  Nat Biotechnol 39, 35—40 (2021).

【6】 Kurt, I.C. et al. CRISPR C-to-G base editors for inducing targeted DNA transversions in human cells.  Nat Biotechnol 39, 41—46 (2021).

【7】 Tong, H. et al. Programmable A-to-Y base editing by fusing an adenine base editor with an N-methylpurine DNA glycosylase.  Nat Biotechnol 41, 1080—1084 (2023).

【8】 Chen, L. et al. Adenine transversion editors enable precise, efficient A*T-to-C*G base editing in mammalian cells and embryos.  Nat Biotechnol (2023).

【9】 Tong, H. et al. Programmable deaminase-free base editors for G-to-Y conversion by engineered glycosylase.  Natl Sci Rev 10, nwad143 (2023).

【10】 Parikh, S.S., Mol, C.D., Slupphaug, G., Bharati, S., Krokan, H.E. & Tainer, J.A. Base excision repair initiation revealed by crystal structures and binding kinetics of human uracil-DNA glycosylase with DNA.  EMBO J 17, 5214-5226 (1998).

【11】 Ye, L. et al. Glycosylase-based base editors for efficient T-to-G and C-to-G editing in mammalian cells.  Nat Biotechnol (2024).

【12】 He, Y. et al. Protein language models-assisted optimization of a uracil-N-glycosylase variant enables programmable T-to-G and T-to-C base editing.  Mol Cell (2024).