物質學院季泉江團隊發現細菌中限制先導編輯的決定因素

ON2024-02-18CATEGORY科研進展

先導編輯是一種通過融合Cas核酸酶與逆轉錄酶的新型基因編輯系統,能夠實現非同源重組依賴的任意堿基替換、DNA片段插入和刪除,在疾病治療和農業育種等領域有重大應用前景。先導編輯已被廣泛應用于多種真核細胞,如人類細胞、小鼠細胞和植物細胞等的基因組編輯,但該系統在細菌中的應用仍舊受限,目前只在大腸桿菌的質粒上實現編輯。

127日,上??萍即髮W物質科學與技術學院化學與物理生物學研究部季泉江團隊在《自然-通訊》(Nature Communications)上發表研究成果。本項研發現了細菌中限制先導編輯的關鍵因子,闡明了3?→5? DNA 外切酶降解先導編輯中間產物的分子機制,并通過抑制3?→5? DNA 外切酶實現了先導編輯在細菌中的高效基因組編輯。



研究人員首先將先導編輯系統應用于恥垢分枝桿菌和大腸桿菌的基因組編輯,意外發現同樣的先導編輯系統在恥垢分枝桿菌中的編輯效率遠高于在大腸桿菌中的編輯效率,推測遺傳背景的不同可能是導致這種差異的關鍵因素。

為了驗證猜想,研究通過遺傳篩選,對DNA代謝、修復相關的129個大腸桿菌突變體分別進行了先導編輯實驗并發現3?→5? ssDNA 外切酶是限制先導編輯的關鍵因子。其中,sbcB是最為關鍵的限制因子;在sbcB缺失菌株中,細菌存在代償機制,利用另外兩種3?→5? ssDNA 外切酶exoXxseA來限制先導編輯。進一步研究表明,同時敲除sbcB、exoXxseA最高可以提升100倍的編輯效率。同時,高效的先導編輯也可以通過利用CRISPRisbcB、exoXxseA的轉錄抑制實現。此外,研究人員發現在肺炎克雷伯菌和鮑曼不動桿菌敲除相應的3?→5? ssDNA 外切酶后,先導編輯的效率得到顯著提升,從而表明,3?→5? ssDNA 外切酶降解先導編輯中間產物的機制在不同細菌中具有保守性。

本項研究發現的細菌中先導編輯抑制機制與人類細胞中的抑制機制存在明顯差異(圖1)。人類細胞主要利用DNA錯配修復通路(MMR),通過修復先導編輯產物發生鏈平衡后的中間體來實現先導編輯抑制。細菌則通過3?→5? ssDNA 外切酶直接切除先導編輯的最早產物來限制先導編輯,這表明不同物種中可能存在不同途徑來限制先導編輯。


圖1:先導編輯中間產物的修復機制

 

上??萍即髮W季泉江課題組博士后張洪源為成果的第一作者,季泉江教授為通訊作者,上??萍即髮W為第一完成單位。

論文標題:BacPE: a versatile prime-editing platform in bacteria by inhibiting DNA exonucleases

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-45114-4