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利用图像可读的碱基编辑器记录重建空间中的细胞历史
了解单个细胞的祖先状态和谱系关系可以揭示发育背后的动态程序。通过设计细胞来主动记录自身基因组 DNA 中的信息可以揭示这些历史，但现有的记录系统信息容量有限或会破坏空间背景。在这里，我们介绍了 baseMEMOIR，它结合了碱基编辑、顺序杂交成像和贝叶斯推理，可以重建高分辨率细胞谱系树和细胞状态动态，同时保留空间组织。BaseMEMOIR 随机且不可逆地将工程二核苷酸编辑为三种备选图像可读状态之一。通过基因组整合可编辑二核苷酸阵列，我们构建了一个具有 792 位可记录、图像可读内存的胚胎干细胞系，比最先进的技术增加了 50 倍。模拟表明，这种内存大小足以准确重建深层谱系树。通过实验，baseMEMOIR 可以精确重建胚胎干细胞群落中 6 代或更多代的谱系树。此外，它还允许从端点图像推断祖先细胞状态及其定量细胞状态转换率。因此，baseMEMOIR 提供了一个可扩展的框架，用于重建空间组织的多细胞系统中的单细胞历史。
用于饱和诱变的高效文库设计
因此，最好尽可能减小库的大小。由于自然突变的随机性，在一个密码子内实现多于一个碱基的变化是极其罕见的（7）。因此，研究自然突变（例如重演进化过程或估计突变体的致癌性）可能受益于仅解决单碱基变化。这些单碱基差异被定义为具有 1 的汉明距离。这种方法将密码子的数量从 32 个（使用常见的 NNK 密码子时）减少到仅 9 个。相反，对于蛋白质工程目的而言，关注大于 1 的汉明距离（即具有两个或三个碱基变化）可能更有利。已经表明，在许多情况下，表现最佳的突变体需要的不仅仅是一个碱基的变化，因为这样的密码子距离允许探索更广泛的多样性
拟南芥咪唑啉酮类除草剂抗性特性的产生
最近出现的碱基编辑技术可以在精确的基因组位置创建单碱基突变，而不会导致世代 DNA 双链断裂。通过内源乙酰乳酸合酶 (ALS) 基因 P197 位点的 C 到 T（或互补链上的 G 到 A）碱基编辑器 (CBE)，已成功将抗除草剂突变引入不同植物物种，包括拟南芥、西瓜、小麦、马铃薯和番茄。此外，ALS 基因上另一个保守氨基酸 S653 的 G 到 A 的转换可赋予对咪唑啉酮除草剂的耐受性。然而，没有通过 CBE 成功产生这样的突变，可能是因为目标 C 碱基位于经典碱基编辑窗口之外。由于由卵细胞 (EC) 特异性启动子驱动的 CBE 会在卵细胞和早期胚胎中重新编辑野生型等位基因，我们假设碱基编辑结果的多样性可以在后代中大大增加，从而可以选择所需的抗除草剂突变体。为了验证这一假设，我们旨在将 C 到 T 的转换引入 ALS 基因 S653 密码子的补链，在经典碱基编辑窗口之外的 20 nt 间隔序列内的第 10 位上放置一个 C。虽然我们没有检测到碱基编辑的 T1 植物，但在后来的世代中出现了高效且多样的碱基编辑。当 T3 和 T4 种子接受除草剂选择时，我们获得了具有不同编辑结果的抗除草剂突变体。正如预期的那样，大多数抗除草剂植物都含有 G 10 到 A 10 的 S653N 突变。我们的结果表明，CBE 可以在拟南芥中产生咪唑啉酮除草剂抗性性状，并且可能应用于作物以促进杂草控制。
使用基于 T7 RNAP 的随机 DNA 碱基编辑器进行除草剂抗性的合成进化
通过局部序列多样化和同时施加选择压力的合成定向进化是一种很有前途的方法，可用于产生影响不同物种感兴趣性状的新的有益等位基因；然而，这种技术很少应用于植物。在这里，我们设计、构建并测试了 T7 RNA 聚合酶 (RNAP) 和脱氨酶的嵌合融合物，以实现感兴趣的目标序列的局部序列多样化。我们在本氏烟瞬时测定中测试了我们的 T7 RNAP - DNA 碱基编辑器，以靶向在 T7 启动子控制下表达 GFP 的转基因，并观察到 C 到 T 的转换。然后，我们靶向已稳定整合到水稻基因组中的 T7 启动子驱动的乙酰乳酸合酶序列并产生 C 到 T 和 G 到 A 的转换。我们利用除草剂处理作为乙酰乳酸合酶序列进化的选择压力，导致除草剂反应残基的富集。然后我们在转基因水稻植物中验证了这些除草剂反应区域。因此，我们的系统可用于基因功能的持续合成进化，以产生具有改进的除草剂抗性的变体。
通过基于 modRNA 的 Cas9 或碱基编辑器在人类多能干细胞中进行强大的基因组编辑
本预印本的版权所有者（此版本于 2022 年 5 月 24 日发布。；https://doi.org/10.1101/2022.05.24.493220 doi: bioRxiv preprint
用脱氨酶替换 SpCas9 HNH 结构域可生成具有替代靶向范围的紧凑型碱基编辑器
碱基编辑器是 RNA 引导的脱氨酶，可实现位点特异性核苷酸转换。这些 Cas 脱氨酶融合蛋白的靶向范围主要取决于靶基因座处原间隔区相邻基序 (PAM) 的可用性，并且仅限于 CRISPR-Cas R 环内的窗口，其中单链 DNA (ssDNA) 可供脱氨酶接触。在这里，我们推断 Cas9-HNH 核酸酶结构域在空间上限制了 ssDNA 的可及性，并证明省略该结构域会扩大编辑窗口。通过将 HNH 核酸酶结构域与单体或异二聚体腺苷脱氨酶交换，我们还设计了具有 PAM 近端移位编辑窗口的腺嘌呤碱基编辑器变体 (HNHx-ABE)。这项工作扩展了碱基编辑器的靶向范围，并提供了明显更小的碱基编辑器变体。此外，它还提供了 Cas9 蛋白质工程的未来潜在方向，其中 HNH 结构域可以被作用于 ssDNA 的其他酶取代。