文献精选 > 高引权威"CRISPR基因编辑"文献

Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage.

文献信息

DOI	10.1038/nature17946
PMID	27096365
期刊	Nature
影响因子	48.5
JCR 分区	Q1
发表年份	2016
被引次数	2522
关键词	基因组编辑, 碱基编辑, 点突变, CRISPR/Cas9, 细胞修复
文献类型	Journal Article, Research Support, N.I.H., Extramural, Research Support, Non-U.S. Gov't, Research Support, U.S. Gov't, Non-P.H.S.
ISSN	0028-0836
页码	420-4
期号	533(7603)
作者	Alexis C Komor, Yongjoo B Kim, Michael S Packer, John A Zuris, David R Liu

一句话小结

本研究提出了一种新型的基因组编辑方法——碱基编辑，它能有效地将目标DNA碱基转换为另一种，而无需引发双链DNA断裂，因此在修正与遗传疾病相关的点突变时表现出更高的效率和更低的随机插入缺失率（indels）。这一创新方法拓宽了基因组编辑的应用范围，有望推动遗传疾病治疗的进展。

在麦伴科研 (maltsci.com) 搜索更多文献

基因组编辑 · 碱基编辑 · 点突变 · CRISPR/Cas9 · 细胞修复

摘要

当前的基因组编辑技术在目标位点引入双链（ds）DNA断裂，作为基因修正的第一步。尽管大多数遗传疾病源于点突变，但现有的点突变修正方法效率低下，通常在目标位点引起大量随机插入和缺失（indels），这主要是由于细胞对双链DNA断裂的反应。我们在此报告了一种新的基因组编辑方法——“碱基编辑”，该方法能够以可编程的方式直接、不可逆地将一个目标DNA碱基转化为另一个，而无需进行双链DNA骨架的切割或使用供体模板。我们设计了CRISPR/Cas9与胞苷脱氨酶的融合体，这些融合体保留了与引导RNA编程的能力，不会引发双链DNA断裂，同时介导胞苷转化为尿苷，从而实现C→T（或G→A）替换。生成的“碱基编辑器”能够在约五个核苷酸的窗口内转化胞苷，并能有效修正与人类疾病相关的多种点突变。在四个转化的人类和小鼠细胞系中，第二代和第三代碱基编辑器融合了尿嘧啶糖苷酶抑制剂，并使用靶向未编辑链的Cas9切口酶，操控细胞DNA修复反应，以促进期望的碱基编辑结果，最终实现约15-75%的细胞DNA的永久修正，同时最小化（通常≤1%）的indel形成。碱基编辑拓宽了对点突变的基因组编辑的范围和效率。

英文摘要

Current genome-editing technologies introduce double-stranded (ds) DNA breaks at a target locus as the first step to gene correction. Although most genetic diseases arise from point mutations, current approaches to point mutation correction are inefficient and typically induce an abundance of random insertions and deletions (indels) at the target locus resulting from the cellular response to dsDNA breaks. Here we report the development of 'base editing', a new approach to genome editing that enables the direct, irreversible conversion of one target DNA base into another in a programmable manner, without requiring dsDNA backbone cleavage or a donor template. We engineered fusions of CRISPR/Cas9 and a cytidine deaminase enzyme that retain the ability to be programmed with a guide RNA, do not induce dsDNA breaks, and mediate the direct conversion of cytidine to uridine, thereby effecting a C→T (or G→A) substitution. The resulting 'base editors' convert cytidines within a window of approximately five nucleotides, and can efficiently correct a variety of point mutations relevant to human disease. In four transformed human and murine cell lines, second- and third-generation base editors that fuse uracil glycosylase inhibitor, and that use a Cas9 nickase targeting the non-edited strand, manipulate the cellular DNA repair response to favour desired base-editing outcomes, resulting in permanent correction of ~15-75% of total cellular DNA with minimal (typically ≤1%) indel formation. Base editing expands the scope and efficiency of genome editing of point mutations.

麦伴智能科研服务

智能阅读回答你对文献的任何问题，帮助理解文献中的复杂图表和公式

定位观点定位某个观点在文献中的蛛丝马迹

加入知识库完成数据提取，报告撰写等更多高级知识挖掘功能

主要研究问题

1. 在基因组编辑中，如何评估不同类型的碱基编辑器在不同细胞类型中的效率？
2. 基因组编辑技术中，除了碱基编辑，还有哪些新兴的无双链断裂的方法？
3. 碱基编辑如何影响细胞的DNA修复机制，以及这种影响对基因组稳定性的长期影响是什么？
4. 针对特定遗传疾病，碱基编辑技术的应用前景和挑战是什么？
5. 在临床应用中，碱基编辑与传统基因编辑技术相比，如何确保安全性和有效性？

核心洞察

研究背景和目的

当前的基因组编辑技术通常通过在目标位点引入双链DNA断裂（dsDNA breaks）来进行基因修正。然而，大多数遗传疾病是由点突变引起的，现有的点突变修正方法效率低下，且通常会在目标位点产生大量随机插入和缺失（indels）。本研究旨在开发一种新的基因组编辑方法——基础编辑（base editing），该方法能够在不需要双链DNA断裂或供体模板的情况下，直接、不可逆地将目标DNA碱基转化为另一种碱基。

主要方法/材料/实验设计

本研究的关键技术路线是基于CRISPR/Cas9系统和细胞因子去氨基酶（cytidine deaminase）融合体的设计。具体流程如下：

1. 基础编辑器的构建：研究者将四种不同的细胞因子去氨基酶（hAID、hAPOBEC3G、rAPOBEC1和pmCDA1）与dCas9融合，筛选出最有效的rAPOBEC1-dCas9融合体。
2. 编辑效率评估：通过高通量测序（HTS）技术评估基础编辑器在不同细胞系中的编辑效率，重点分析了BE1、BE2和BE3三种不同版本的基础编辑器。

关键结果和发现

1. 基础编辑效率：在体外实验中，BE1显示出44%的平均编辑效率，BE2的效率提高至20%，而BE3在某些位点的编辑效率高达37%。
2. indel形成率：所有基础编辑器的indel形成率均低于1%，显示出较高的精准性。
3. 细胞内应用：基础编辑器在小鼠星形胶质细胞中成功修正了与阿尔茨海默病相关的APOE4突变，且编辑效率高达75%。在乳腺癌细胞中，BE3也成功修正了p53突变，效率为7.6%。

主要结论/意义/创新性

基础编辑技术显著提高了基因组编辑的效率和精准性，尤其是在修正单碱基突变方面。该方法的创新之处在于：

• 无双链断裂：避免了传统方法中引入的随机插入和缺失。
• 提高了编辑效率：通过抑制DNA修复机制来提高编辑效率。
• 广泛适用性：该技术可以应用于多种细胞类型，扩展了基因组编辑的应用范围。

研究局限性和未来方向

1. 局限性：尽管基础编辑在编辑效率和准确性上表现优异，但仍需进一步研究以优化不同细胞类型中的应用。
2. 未来方向：未来的研究可集中在开发更多类型的基础编辑器，以便实现对更广泛突变的修正，并探索其在临床治疗中的应用潜力。还需评估其长期稳定性和潜在的脱靶效应，以确保其安全性和有效性。

参考文献

1. RNA editing enzyme APOBEC1 and some of its homologs can act as DNA mutators. - Reuben S Harris;Svend K Petersen-Mahrt;Michael S Neuberger - Molecular cell (2002)
2. Structures of a CRISPR-Cas9 R-loop complex primed for DNA cleavage. - Fuguo Jiang;David W Taylor;Janice S Chen;Jack E Kornfeld;Kaihong Zhou;Aubri J Thompson;Eva Nogales;Jennifer A Doudna - Science (New York, N.Y.) (2016)
3. Comparison of the differential context-dependence of DNA deamination by APOBEC enzymes: correlation with mutation spectra in vivo. - Rupert C L Beale;Svend K Petersen-Mahrt;Ian N Watt;Reuben S Harris;Cristina Rada;Michael S Neuberger - Journal of molecular biology (2004)
4. Crystal structure of human uracil-DNA glycosylase in complex with a protein inhibitor: protein mimicry of DNA. - C D Mol;A S Arvai;R J Sanderson;G Slupphaug;B Kavli;H E Krokan;D W Mosbaugh;J A Tainer - Cell (1995)
5. Replisome assembly and the direct restart of stalled replication forks. - Ryan C Heller;Kenneth J Marians - Nature reviews. Molecular cell biology (2006)
6. The missing ApoE allele. - D Seripa;M G Matera;A Daniele;A Bizzarro;M Rinaldi;C Gravina;L Bisceglia;R M Corbo;F Panza;V Solfrizzi;V M Fazio;G Dal Forno;C Masullo;B Dallapiccola;A Pilotto - Annals of human genetics (2007)
7. The AID/APOBEC family of nucleic acid mutators. - Silvestro G Conticello - Genome biology (2008)
8. DNA Repair in mammalian cells: Mismatched repair: variations on a theme. - C Kunz;Y Saito;P Schär - Cellular and molecular life sciences : CMLS (2009)
9. The role of apolipoprotein E in Alzheimer's disease. - Jungsu Kim;Jacob M Basak;David M Holtzman - Neuron (2009)
10. A recombinant polypeptide extends the in vivo half-life of peptides and proteins in a tunable manner. - Volker Schellenberger;Chia-Wei Wang;Nathan C Geething;Benjamin J Spink;Andrew Campbell;Wayne To;Michael D Scholle;Yong Yin;Yi Yao;Oren Bogin;Jeffrey L Cleland;Joshua Silverman;Willem P C Stemmer - Nature biotechnology (2009)

引用本文的文献

1. Cre-dependent DNA recombination activates a STING-dependent innate immune response. - Geneviève Pépin;Jonathan Ferrand;Klara Höning;W Samantha N Jayasekara;Jason E Cain;Mark A Behlke;Daniel J Gough;Bryan R G Williams;Veit Hornung;Michael P Gantier - Nucleic acids research (2016)
2. Development of autologous blood cell therapies. - Ah Ram Kim;Vijay G Sankaran - Experimental hematology (2016)
3. Genome-editing technologies for gene correction of hemophilia. - Chul-Yong Park;Dongjin R Lee;Jin Jea Sung;Dong-Wook Kim - Human genetics (2016)
4. Genetically modified (GM) crops: milestones and new advances in crop improvement. - Ayushi Kamthan;Abira Chaudhuri;Mohan Kamthan;Asis Datta - TAG. Theoretical and applied genetics. Theoretische und angewandte Genetik (2016)
5. The present and future of genome editing in cancer research. - Xiaoyi Li;Raymond Wu;Andrea Ventura - Human genetics (2016)
6. Genome editing comes of age. - Jin-Soo Kim - Nature protocols (2016)
7. Beyond CRISPR: A guide to the many other ways to edit a genome. - Heidi Ledford - Nature (2016)
8. The new editor-targeted genome engineering in the absence of homology-directed repair. - A J Kueh;M J Herold - Cell death discovery (2016)
9. Opportunities and challenges in modeling human brain disorders in transgenic primates. - Charles G Jennings;Rogier Landman;Yang Zhou;Jitendra Sharma;Julia Hyman;J Anthony Movshon;Zilong Qiu;Angela C Roberts;Anna Wang Roe;Xiaoqin Wang;Huihui Zhou;Liping Wang;Feng Zhang;Robert Desimone;Guoping Feng - Nature neuroscience (2016)
10. Applications of CRISPR Genome Engineering in Cell Biology. - Fangyuan Wang;Lei S Qi - Trends in cell biology (2016)

... (2512 更多 篇文献)

---

© 2025 MaltSci 麦伴科研 - 我们用人工智能技术重塑科研