近日，中国农业科学院植物保护研究所作物有害生物功能基因组研究创新团队在国际著名学术期刊 Genome Biology 在线发表了题为“SpRY greatly expands the genome editing scope in rice with highly flexible PAM recognition”的研究论文。本研究首次将SpCas9突变体SpG和SpRY应用于植物，在水稻中实现NRN PAM和NYN PAM的靶向操作，所开发的系列工具大大扩展了CRISPR系统在植物基因组中的应用范围。
近几年来，基因组编辑技术发展迅速，并广泛应用于人类基因治疗、动植物分子育种等各领域。由于传统的 Streptococcus pyogenes Cas9（SpCas9）和后期挖掘的各Cas蛋白为典型的G-PAM识别类型，在应用中多少具有一定程度的局限性。研究人员一直在寻找各种新型CRISPR/Cas系统，以期突破对G-PAM识别特异性的限制，扩展各基因编辑工具在生物体基因组中的靶向范围。
本研究聚焦于SpCas9的两个新型突变体SpG和SpRY，研究发现SpG对NG PAM具有偏好性，但其活性低于团队之前挖掘的SpCas9-NG。而SpRY在大量基因组靶位点上实现了高效编辑，对G-PAM和A-PAM均具有偏好性。基于SpRY切口酶而开发的胞嘧啶碱基编辑器rBE66通过识别NAG PAM对 OsCOI2 和 BSR-K1 实现靶碱基定向编辑，编辑效率分别为26.00%和4.26%。将SpRY切口酶和腺苷脱氨酶TadA8e融合而开发的腺嘌呤碱基编辑器rBE62，能够有效识别NAA、NAT和NAC PAM，对 OsMPK13 、 OsGS 和 OsGSK4 编辑效率分别高达29.79%、93.75%和51.28%。此外，本研究揭示了SpRY具有高频的自编辑事件（即对T-DNA上的sgRNA序列进行编辑），而SpRY切口酶介导的碱基编辑的自编辑事件较低频发生。这些结果表明SpRY可用于水稻基因组定点编辑，尤其是单碱基编辑，并扩宽了CRISPR技术在植物基因组中编辑范围，为后续基因组编辑衍生工具开发，以及将来植物基因功能研究材料和新种质材料的定制提供了有力的理论指导和技术支撑。
中国农业科学院植物保护研究所硕士生徐子妍（周雪平课题组）和博士生旷永洁（周焕斌课题组）及博士后任斌（合作导师：周焕斌研究员和王桂荣研究员）为共同第一作者，周焕斌研究员和周雪平教授为共同通讯作者，团队多名成员共同合作完成，中国农业大学孙文献教授和挪威生物经济研究所Carl Spetz也参与研究工作，本文得到了中国国家自然科学基金、中国农科院科技创新工程、基地平台提质增效技术创新任务、中国国家转基因科技计划等项目支持。
论文链接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02231-9
日期：2021-01-05
