引導編輯系統（Prime Editor，PE）是能夠在基因組的靶位點處實現任意鹼基替換和小片段精準刪除、插入的新型基因組編輯工具，是基因組編輯領域的重大變革。
基本介紹
- 中文名：引導編輯系統
- 外文名：Prime Editor，PE
引導編輯系統
2020年，中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞團隊通過探索融合不同的逆轉錄酶、工作溫度、pegRNA表達形式、PBS和RT模板序列長度等條件，在水稻和小麥中建立並最佳化了適用於植物的引導編輯器（Plant Prime Editor，PPE）（Lin et al.，Nature Biotechnology，2020）。隨後，科研團隊建立了基於熔解溫度值（Tm）指導的PBS序列設計方案，提出了dual-pegRNA策略，並進一步開發了植物pegRNA設計網站——PlantPegDesigner，提高了引導編輯效率並簡化了植物pegRNA的設計流程（Lin et al.，Nature Biotechnology，2021）。此外，該團隊還通過全基因組重測序發現PPE系統在全基因組水平上具有很高的特異性（Jin et al.，Nature Biotechnology，2021）。這些研究為引導編輯系統在植物領域的套用奠定了良好的基礎。然而，引導編輯系統目前在植物中的編輯效率仍不夠高，且有很大的靶點依賴性，這些短板限制了引導編輯在植物中的廣泛套用。因此，如何最佳化引導編輯系統突破現有的限制，提升引導編輯技術的高效性、廣適性仍是領域的研究重點。
2022年3月，中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞研究組與合作者發表研究成果，在植物中建立了更高效、廣適的新型引導編輯系統ePPE（Engineered Plant Prime Editor）。不同於多數已報導的通過最佳化pegRNA提高引導編輯效率的思路，該研究側重於對引導編輯系統的蛋白組分進行改造。通過篩選包含不同逆轉錄酶M-MLV RT變體以及融合不同病毒相關蛋白的候選PPE系統，研究發現刪除M-MLV RT的RNase H結構域或在M-MLV RT 的N端融合病毒核衣殼蛋白（Nucleocapsid，NC），可以分別將PPE的編輯效率提高2.0倍和3.2倍。研究推測，RNase H結構域的去除穩定了sgRNA-DNA和nCas9-RT-pegRNA複合體中的RNA-DNA異源雙鏈結構，NC蛋白通過其核酸退火活性在逆轉錄過程中輔助MLV-RT發揮功能。進一步，研究整合以上兩種最佳化策略，開發出升級版新型引導編輯器ePPE。相比於PPE，ePPE在鹼基替換、小片段插入、刪除以及較大片段的插入和刪除等多種編輯類型下編輯效率平均可提高5.8倍，且不增加脫靶及副產物的發生。此外，當將新型引導編輯器ePPE與該課題組先前報導的dual-pegRNA策略（Lin et al.，Nature Biotechnology，2021）和美國哈佛大學、博德研究所David Liu實驗室研發的epegRNA（Engineered pegRNA）策略（Nelson et al.，Nature Biotechnology，2021）相結合時，可以進一步提高引導編輯系統在內源基因上進行精準編輯的效率。研究利用ePPE系統，創製了可抗甲咪唑煙酸和煙嘧磺隆兩種除草劑的水稻新材料。
研究聚焦改造PPE的蛋白組分，開發出能夠在植物中實現高效編輯的新型引導編輯系統ePPE，並證明ePPE與現有的pegRNA最佳化策略相結合可進一步提升編輯效率。該系統有望推動引導編輯在農業育種、作物改良等方面的套用。3月24日，相關研究成果線上發表在Nature Biotechnology（DOI：10.1038/s41587-022-01254-w）上。研究工作得到國家自然科學基金和中科院戰略性先導科技專項（A類）的支持。中科院遺傳發育所曹曉風研究組、上海科技大學黃行許研究組參與研究。
引導編輯系統
植物高效新型引導編輯器ePPE的建立及套用。（a-b、原生質體報告系統篩選候選植物引導編輯系統，c、基於刪除RNase H結構域和融合NC蛋白兩種策略構建的引導編輯器與PPE編輯效率對比，d、ePPE示意圖，e、四種不同引導編輯器編輯效率對比，f、ePPE與已報導pegRNA最佳化策略結合的編輯效率對比，g、ALS-W548M水稻突變體在不同除草劑處理下的表型）
