实现重要农作物精准基因组编辑对加快农作物遗传改良进程具有重要意义。引导编辑技术（Prime editing）是一种基于CRISPR/Cas系统的全新精确基因组编辑技术。2020年，包括我院在内的多家实验室实现了植物引导编辑技术的初步突破，但植物基因组中很多位点编辑效率依旧很低，亟需突破技术瓶颈，实现编辑效率显著提升。
近日，北京市农林科学院玉米DNA指纹及分子育种北京市重点实验室基因组编辑团队与北京大学等单位合作，发现新策略协同效应，在植物引导编辑技术研发方面取得了重大新突破，实现了玉米和水稻引导编辑效率平均可提高3倍，在多个低效靶点上甚至可提高10倍以上，并在人细胞中进行了验证。该结果于12月23日以“A design optimized prime editor with expanded scope forbid capability in plants”为题在植物科学类国际顶级学术刊物Nature Plants（15.793）在线发表。
该团队在前期研究中发现，在ALS基因靶点的反转录（reverse tranase，RT）模板中引入2个额外的同义错配碱基，可使其编辑效率增加7倍。继续使用类似策略在水稻愈伤8个靶点上进一步测试，发现半数靶点在模板引入同义错配碱基时编辑效率明显提高，这在人细胞实验中也得到了验证；植物引导编辑普遍沿用Cas9切刻酶变体H840A的C端融合逆转录酶M-MLV的方式，本研究发现N端融合的编辑效率在植物3个I型靶点上明显高于C端融合的，而在II型靶点和人细胞中的编辑效率均无明显差异。稳定转化结果表明，在测试的8个靶点上，引入同义错配碱基和N端融合均不同程度地提高了编辑效率。进一步研究发现，将“引入同义错配碱基”与“N端融合”这两种策略组合（PE-P3-RT-M）使用时，出现了倍增协同效应。在愈伤中的5个靶点上增效倍数平均达到10倍以上。而在稳定转化材料的8个靶点上，编辑效率平均提升也在10倍以上，尤其在4个原来不能编辑的靶点上，实现了平均约25%的编辑效率。为进一步确认该组合策略的倍增协同效果，作者在水稻和玉米各选择了另外7个基因组靶点进行了测试，结果发现，在大多数靶点中，PE-P3-RT-M策略均表现出最高的协同增效。作者最后还总结了测试靶点的特征形式，并对植物中进行引导编辑高效靶点设计给出了详细建议。
最近，哈佛大学David Liu团队在Cell杂志上报道，通过瞬时表达抑制DNA错配修复（MMR）通路的蛋白，或在模板上引入沉默碱基，提高引导编辑效率2.0到7.7倍。与上述研究相比，本研究不仅首次发现引入同义错配碱基可以显著提升植物引导编辑的效率，并发现了N端融合逆转录酶比C端融合更有利于植物的逆转录过程。而将“引入同义错配碱基”与“N端融合”策略组合在一起时，还具有倍增协同效应，可获得更高的植物引导编辑效率。这三方面全新发现实现了基因组编辑技术的新突破，大幅提升了引导编辑效率，为植物基因组功能解析和作物精准育种提供了强有力的技术支撑。
徐雯、杨永星为本文共同第一作者，杨进孝和赵久然研究员为通讯作者，北京大学张博、张传茂教授团队、西南大学肖前林副教授团队参与了本项工作。本研究得到北京学者（BSP041）、院财政专项基金的支持。玉米基因组编辑团队是2017年由玉米DNA指纹及分子育种重点实验室引进建设的技术创新团队，目前团队主要聚焦于碱基编辑、精确替换、组学编辑及其在玉米和水稻等作物中的高效应用。这是该团队自引进以来在国际学术期刊上发表的第10篇高水平研究论文。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-021-01043-4
日期：2021-12-27
