近日，CRISPR 基因编辑奠基人 Jennifer Doudna 在 Science 杂志发表了题为 DNA capture by a CRISPR-Cas9–guided adenine base editor 的论文，首次解析了单碱基编辑器 ABE8e 的超高分辨率冷冻电镜结构，揭示了 ABE8e 如何实现 DNA 上的快速脱氨，为单碱基编辑技术的改进和安全应用提供了一条新的思路。
（来源：Science）
CRISPR/Cas 系统可以说是目前生物学界的“明星产品”。早在 30 年前，九州大学生物科学和生命技术部的 Yoshizumi Ishino 教授首次发现 CRISPR，但当时它的生物学功能还没有被人们所认识。
CRISPR 基因编辑器的早期发展史
2000 年初，阿利坎特大学免疫和生理部的 Francisco J M Mojica 教授带领的小组发现了 CRISPR 的间隔区与细菌病毒、古菌病毒和质粒的序列相似性，终于揭示了 CRISPR 作为免疫系统的功能。并于 2005 年由三个研究小组独立发表在刊物上。与此同时，他们还发现早前一些编码极端嗜热古菌特有 DNA 修复蛋白的基因与 CRISPR 有着强烈关联性，并将其命名为 cas (CRISPR-associated)基因。在当时，该发现的重要性显然为世人所低估。
比较基因组分析表明，CRISPR 和 Cas 蛋白 (cas 基因产物) 实际上是一起工作的，共同构成了一个获得性免疫系统，以保护原核细胞抵御入侵的病毒和质粒，类似于真核生物的 RNA 干扰 (RNAi) 系统 。因此，研究人员开始意识到，这可能成为一个非常强大的工具。
腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）是 DNA 的基本构成单元，按照 A-T、C-G 的配对形式搭建起了 DNA 的双螺旋结构。CRISPR-Cas9 碱基编辑器由 RNA 引导的 Cas 蛋白与一种脱氨酶融合而成。没有任何天然的酶让 DNA 中的腺嘌呤脱氨，因此，当天然的转移 RNA 脱氨酶融合到 Cas9 上，并进化出一种腺嘌呤碱基编辑器（ABE）时，基因编辑界就实现了全新的突破。
将基因组 DNA 中的 A-T 碱基对转换为 G-C 碱基对，将 C-G 碱基对转换为 T-A 碱基对，有望纠正人类约 60% 已知致病性单碱基变异。这种转换可以通过 CRISPR-Cas9 碱基编辑器，RNA 引导的 Cas 蛋白与单链 DNA（ssDNA）脱氨酶融合来实现。DNA 中的 A-T 到 G-C 转换需要将腺苷脱氨为肌苷，而肌苷被细胞机制识别为鸟苷（图 1，A 和 B）。在 DNA 没有脱氨基酶的情况下，大肠杆菌 tRNA 腺苷脱氨酶（TadA）与 Cas9 融合，并进化成 ABE7.10，它能催化脱氧腺苷的靶向脱氨 。
ABE7.10 编码两个 TadA 的副本，一个 N 端野生型（WT）TadA 连接到进化的 TadA（TadA-7.10），它的 C 端连接到一个 "缺口酶"[即切割双链 DNA（dsDNA）的一条链]版本的嗜热链球菌 Cas9（nSpCas9）（图 1C）。此后，ABE7.10 作为一种工具被广泛应用于许多细胞类型和生物体的基因组 DNA 的脱氨。研究人员还发现 ABE7.10 变体在细胞中催化非靶向 RNA 编辑，这种活性通过 TadA-7.10 域的突变或去除 N 端 WT TadA 域而降低，生成一个截短版的 miniABEmax(图 1.C)。
然而，无论是 ABE7.10 还是 miniABEmax，早期的腺嘌呤碱基编辑器（ABE）效率都很低，运行也缓慢。待 ABE7.10 进一步发展以后，诞生了 ABE8e，它能编码单个 TadA 域(TadA-8e)，并与 8 个测试的 Cas 效应器广泛兼容(图 1.C)。
图 1丨编辑器具体介绍（来源上述论文，Science）
ABE8e 究竟强在哪里？
为了了解腺嘌呤碱基编辑器（ABEs）DNA 腺嘌呤脱氨的分子基础，亚利桑那州大学助理教授 Lapinaite 等人利用冷冻电子显微镜成像技术，以 3.2A 分辨率解析了 ABE8e 结合 DNA 时的 3D 结构，其中用于捕获催化构象的模拟物取代了目标腺嘌呤。这是人类首次观察到正在工作中的单碱基编辑器，也首次了解到融合后的 ABE 编辑器实际上仍然分相对独立的两个模块在工作，这让我们看清了 Cas9 融合蛋白的融合模式。
研究人员观察到，脱氨酶与 CRISPR/Cas9 R - 环复合物内暴露的 DNA 结合。动力学和结构数据表明，ABE8e 催化 DNA 脱氨的速度比早期的 ABEs 快约 1100 倍，因为突变使 DNA 底物稳定在一个受限的、类似转移 RNA 的构象中。此外，ABE8e 加速的 DNA 脱氨表明，在 CRISPR/Cas9 监控双链 DNA 的过程中，可能会发生以前未观察到的瞬时 DNA 融化。
ABE8e 的快速多转位反式 ssDNA 脱氨动力学研究显示，ssDNA 中的任何腺苷，包括那些被 Cas9 短暂暴露在溶剂中的腺苷，都可能被 TadA-8e 脱氨。为了探究这个想法，研究人员使用 dsDNA，其中 NTS 含有多个腺嘌呤，比较了 ABE7.10、miniABEmax 和 ABE8e 的体外编辑特性（图 2E），发现 ABE7.10 和 miniABEmax 主要是对单个 PAM - 端腺嘌呤进行脱氨，ABE8e 则是对多个腺嘌呤进行脱氨，包括存在于 R 环双链区域内的腺嘌呤(图 2E 和图 S10，A 和 B)。
图 2 丨动力学分析结果（来源 Science）
此外，ABE8e 的结构数据还阐明了新版本碱基编辑器速度更快的秘诀。研究人员发现，相比早期版本，新版本上有两个点突变，可以使蛋白质更紧密地抓住 DNA，从而更有效地把 A 替换为 G。
至此，我们终于明白了碱基编辑器 ABE8e 是如何在 DNA 上实现快速脱氨这一过程。这一实验结果有望为未来的碱基编辑器设计提供进一步的信息。
