基于食蟹猴APOBEC3A的胞嘧啶碱基编辑器的构建

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基于CRISPR-Cas系统衍生的单碱基编辑器(base editor,BE)可以在不产生DNA双链断裂(DSB)的情况下实现相应碱基的转换,因而在点突变遗传病的基因治疗领域的应用前景广阔,但仍然有脱靶效应、编辑偏好性、编辑效率及产物纯度等诸多问题亟待解决。其中通过CRISPR与胞苷脱氨酶(APOBEC)所构建的胞嘧啶碱基编辑器(CBE)可用于基因组DNA的C>T和G>A编辑,而发展到第四代(BE4)的CBE依旧是采用大鼠的Apobec1(r A1)作为脱氨酶。已知使用人的胞苷脱氨酶APOBEC3A(h A3A)构建的CBE比使用r A1构建的CBE编辑效率高,但关于食蟹猴(Macaca fascicularis)APOBEC3A(m A3A)在催化C>T和G>A突变方面还没有很好的研究。食蟹猴和人同属于灵长类,h A3A和m A3A蛋白序列相似度很高(82%),主要区别在于m A3A在第27-29位有SVR三个氨基酸残基,且已知h A3A可以限制某些逆转录病毒和逆转录元素,但食蟹猴的抗逆转录病毒能力优于人。此外,本论文的数据显示高糖高脂(High suger high fat,HSHF)饮食诱导后m A3A的表达量显著上调并伴随高水平的C>U RNA编辑,提示m A3A可能是构建和优化CBE系统更理想的材料,具有进一步开发应用的潜力。因此本论文旨在通过用m A3A及其突变体替换r A1对第四代胞嘧啶碱基编辑器BE4进行优化,从而开发新的基因编辑工具,以期提高BE4的编辑效率、产物纯度和编辑窗口特异性等,为CBE编辑器的优化提供新的思路和方向。此外,为了方便量化编辑效率构建了一个实时荧光报告系统。本论文主要研究结果如下:(1)通过19个月的HSHF饮食诱导后,食蟹猴出现高胆固醇血症,并且伴随炎症,对转录组测序结果分析显示m A3A的表达量显著上调伴随高水平的C>U的RNA自身编辑效率(~100%)。(2)对原始的编辑器BE3、BE4以及本论文所构建的一系列BE4-m A3A编辑器进行比较,发现携带m A3A或其突变体的编辑器在DNA的C>T编辑效率上都具有明显优势,且比原始BE4有更宽的编辑窗口。(3)此外,BE4-m A3A编辑器的产物纯度也更高,尤其是在RNF2-C6和EMXI-C6位点,产物纯度比原始的BE4编辑器分别提高了5.6倍和10.4倍。(4)整合了5个靶基因中C碱基的编辑情况,发现不同m A3A突变体衍生的编辑器都有较高的一致性,其编辑窗口扩大且整体编辑效率更高,甚至更高于基于人源A3A(h A3A)的编辑器。(5)与BE4-r A1相比,删除m A3A的SVR序列后,BE4-m A3A-del SVR编辑器的特异性增强,且编辑效率和产物纯度保持相对稳定,而h A3A插入SVR序列后,BE4-h A3A-SVR+编辑器的整体编辑效率提高到近2倍,产物纯度和编辑窗口大小保持相对稳定。(6)设计的5条针对GFP失活的sg RNA,通过流式分析出GFP被编辑失活的细胞比例最高为4.8%。所以本论文中采用的m A3A是比r A1甚至h A3A更好的优化编辑器的原型,为CBE编辑器的优化提供了一个思路和方向,丰富了基因编辑工具包,且m A3A特有的SVR序列对编辑酶的功能有很大的影响。同时本论文构建的快速定量编辑效率的实时荧光报告系统具有一定的可行性,但有待进一步的改进。
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