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哈佛大學(xué) George Church 教授團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所劉陳立研究員團(tuán)隊(duì)合作在 Nature Communications 期刊發(fā)表了題為：Multiplex base editing to convert TAG into TAA codons in the human genome的研究論文。 研究利用多重復(fù)合的堿基編輯技術(shù)在人類基因組中將 TAG 轉(zhuǎn)換為 TAA。該研究開啟了人類全基因范圍內(nèi) TAG 終止密碼子轉(zhuǎn)換為 TAA，初步證明了 TAG 轉(zhuǎn)換為 TAA 在人類基因組中的可行性，同時(shí)創(chuàng)造了一次遞送在人類基因組中數(shù)十個(gè)非重復(fù)位點(diǎn)同步堿基編輯的記錄，為哺乳動(dòng)物基因組的大規(guī)模工程化改造提供了一個(gè)工作框架。此外， GRIT 軟件也可以被開發(fā)成一個(gè)新的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）平臺(tái)，用于設(shè)計(jì)編寫大規(guī)模的基因組。 該研究邁出了基因組重編碼制備抗多種天然病毒人類細(xì)胞系的第一步，為哺乳動(dòng)物基因組多重復(fù)合編輯和基因組編寫（GP-write）路線圖的制定奠定了基礎(chǔ)。
雖然讀取 DNA 密碼的技術(shù)不斷進(jìn)步，但科學(xué)家們編寫 DNA 密碼的能力仍然有限，這限制了其理解和操縱生物系統(tǒng)的能力。為了進(jìn)一步了解生命藍(lán)圖，開發(fā)有助于大規(guī)模合成和編輯人類和其他物種基因組的工具和方法變得尤為重要。 因此，2016 年 Jeff Boeke 和 George Church 教授等提出了基因組編寫計(jì)劃（GP-write project），旨在從被動(dòng)讀取基因組轉(zhuǎn)向主動(dòng)編寫基因組【1】，也被認(rèn)為是人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project，HGP）的下一代基因組計(jì)劃（HGP-write）。
那如何通過基因組重編碼制備抗病毒人類細(xì)胞系呢？ 理論上，如果替換掉所有基因中的一個(gè)冗余密碼子（或「重新編碼」基因），并去除解碼它的 tRNA，人類細(xì)胞仍然可以制造它所有的蛋白質(zhì)。但病毒的基因仍然包含這個(gè)冗余密碼子，并且依賴宿主細(xì)胞機(jī)制進(jìn)行復(fù)制，這樣病毒將無法將它們的基因轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，使得試圖復(fù)制的病毒被消滅，因此，基因組重編碼的細(xì)胞將具有了免疫力，這個(gè)概念已經(jīng)在大腸桿菌中得到驗(yàn)證【2、3】。 但這在人類細(xì)胞中是否能實(shí)現(xiàn)呢？ 在本研究中作者提出了一個(gè)潛在方案來制備抗病毒人類細(xì)胞系：在全基因組范圍內(nèi)將終止密碼子 TAG 轉(zhuǎn)化為 TAA，并將內(nèi)源性真核釋放因子1（eRF1）替換為具有選擇性通讀的工程化 eRF1 突變體，使得人類細(xì)胞系具有抗病毒的能力（圖1）。 地球上大多數(shù)生物體共用64個(gè)三聯(lián)體密碼子，其中61個(gè)密碼子可以編碼20種天然氨基酸和3個(gè)密碼子作為終止信號(hào)。在20種氨基酸中有18個(gè)由一個(gè)以上的同義密碼子來編碼，這也被稱為遺傳密碼子的簡(jiǎn)并性。基因組重新編碼技術(shù)就是通過基因組工程手段進(jìn)行同義密碼子替換，將「冗余」密碼子去掉，并賦予這些被去除密碼子（「空白」密碼子）新編碼能力的技術(shù)。通過基因組重編碼不僅可以賦予了生物體或細(xì)胞抗病毒的能力，也可以重新賦予「空白」密碼子新的功能，包括非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸的整合和生物防護(hù)。 2013年，George Church 實(shí)驗(yàn)室首次在大腸桿菌通過 TAA 取代 TAG 終止密碼子并刪除釋放因子 1 (RF1)，使得其具有抗病毒的能力【2】。2021 年，Jason Chin 實(shí)驗(yàn)室在大腸桿菌全基因組范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)用同義詞密碼子替換兩個(gè)有義密碼子和一個(gè)終止密碼子，并刪除相應(yīng)的 tRNA 和釋放因子，使得該大腸桿菌碼子具有抗多種病毒和遺傳編碼非標(biāo)準(zhǔn)的氨基酸的能力【3】。此外，基因組重編碼設(shè)計(jì)也正在酵母基因組 SC2.0 計(jì)劃中實(shí)施【4】，但在人類全基因組范圍內(nèi)進(jìn)行基因組重編碼是否可行呢？ 該研究中，研究人員首次提出了在人類全基因組范圍內(nèi)將 TAG 終止密碼子轉(zhuǎn)換為 TAAs 的工作框架（圖2）。首先，作者們開發(fā)了一個(gè)軟件 GRIT 來解析基因組數(shù)據(jù)，識(shí)別人類基因組中所有的 TAG 密碼子，并為堿基編輯器設(shè)計(jì) gRNAs，引導(dǎo)它們轉(zhuǎn)換為同義密碼子 TAA。雖然該軟件只在人類基因組數(shù)據(jù)上進(jìn)行了測(cè)試，但它可以用于其他具有高質(zhì)量參考基因組和充分注釋的真核生物，如小鼠和果蠅等。隨后，他們開發(fā)了高效的 TAG 到 TAA 轉(zhuǎn)換方法，通過多個(gè) gRNA 陣列遞送與 CBE 單堿基編輯器【5】及其報(bào)告熒光分子，使高編輯的細(xì)胞得到富集。 此外，作者們還通過單細(xì)胞 RNA 測(cè)序（scRNAseq）分析了細(xì)胞群體中單細(xì)胞中多重復(fù)合堿基編輯的結(jié)果。最后，他們通過全基因組測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和核型分析等手段對(duì)那些高基因組修飾的單克隆進(jìn)行了評(píng)估。 人類基因組重編碼是一個(gè)系統(tǒng)而復(fù)雜的基因組工程。雖然本研究可以通過一次轉(zhuǎn)染在單個(gè)克隆中實(shí)現(xiàn)多達(dá)33個(gè)基因位點(diǎn)編輯，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為了使以 TAG 作為終止密碼子必需基因或全部的基因，都可以轉(zhuǎn)換為 TAA，論文作者在文章的討論部分，提出了幾種可能的優(yōu)化工作框架的策略: 哈佛大學(xué) George Church 教授、中科院深圳先進(jìn)院合成所劉陳立研究員與哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院 Eriona Hysolli 博士為共同通訊作者。中科院深圳先進(jìn)院合成所陳宇庭博士（前哈佛醫(yī)學(xué)院 Church lab 博士后研究員、現(xiàn)中科院深圳先進(jìn)院合成所助理研究員與執(zhí)行課題組組長(zhǎng)）、Eriona Hysolli 博士、陳安璐博士和 Stephen Casper 為共同第一作者。哈佛大學(xué)劉松雷博士和 Kevin Yang 等對(duì)論文的實(shí)驗(yàn)做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到美國能源部、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院、中國國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和深圳市等多個(gè)項(xiàng)目支持。   |
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