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使用 αDdCBE 进行无约束的精确线粒体基因组编辑
未经同行评审认证）是作者/资助者。保留所有权利。未经许可不得重复使用。此预印本的版权所有者（此版本于 2024 年 5 月 13 日发布。；https://doi.org/10.1101/2024.05.13.593977 doi：bioRxiv preprint
植物中的叶绿体和线粒体DNA编辑
通过DDCBE介导的碱基编辑产生的植物细胞器基因组突变。a，用于生成叶绿体和线粒体基因组编辑植物的方案图。b，cp-g-t-t∙cp-ddcbe tranfected calli中的转换的效率，具有代表性的sanger测序色谱图。转化后的核苷酸以红色显示在左侧的序列中。箭头指示色谱图中取代的核苷酸。c，DDCBE诱导的基础编辑频率在重生的Calli中。d，选择16S rDNA突变体。红色箭头指示链霉素选择的Calli。e，转染了编码CP-DDCBE的MRNA后引起的C-T转换的频率
使用切口酶进行选择性线粒体 DNA 碱基编辑
线粒体内膜的物理和化学特性对常用于核基因组碱基编辑的CRISPR系统提出了挑战，因为其向导RNA不能轻易进入线粒体来编辑线粒体DNA（mtDNA）1。此外，之前鉴定的DNA脱氨酶主要针对单链DNA（ssDNA），这限制了它们在线粒体DNA碱基编辑器的开发中的应用。然而，可以修饰双链DNA（dsDNA）中胞嘧啶的DddA脱氨酶的发现，使得开发线粒体DNA碱基编辑器成为可能，例如DddA衍生的胞嘧啶碱基编辑器（DdCBE）和转录激活因子样效应物（TALE）连接的脱氨酶（TALED）2,3。这些工具依赖于 DddA，但受到其序列偏好以及通过与转录抑制因子 CTCF 4 相互作用对核基因组产生脱靶效应的风险的限制。此外，DdCBE 和 TALED 会编辑目标序列的两条链 2 , 3 ，从而导致不准确。这些限制阻碍了这些工具在研究和治疗由线粒体DNA突变引起的疾病中的应用。
利用单体 TALE 进行广泛质体基因组编辑...
编辑质体基因组有助于了解质体基因的分子功能和设计作物所需的性状（Maliga，2022 年）。DddA 衍生的胞嘧啶碱基编辑器 (DdCBE) 能够在线粒体和质体基因组中进行 C 到 T 的编辑（Kang 等人，2021 年；Li 等人，2021 年；Mok 等人，2020 年；Nakazato 等人，2021 年）。最近，Cho 等人（2022 年）开发了 TALE 连接脱氨酶 (TALED)，可以催化人类线粒体中的 A 到 G 碱基转化。利用 DddA 毒性的发现（Cho et al ., 2022 ），我们通过探索两种胞苷脱氨酶生成了用于质体编辑的新型单体 TALE 连接的 CBE：具有宽编辑窗口的人类 APOBEC3A 变体（hA3A-Y130F）（Ren et al ., 2021 ）和基于 TadA 的改良胞苷脱氨酶（Lam et al ., 2023 ），分别生成 mTCBE 和 mTCBE-T。此外，我们还探索了一种可以同时脱氨胞嘧啶和腺嘌呤的 TadA 衍生脱氨酶（Lam et al ., 2023 ），以设计一种双碱基编辑器，名为 mTCABE-T。这些脱氨酶此前均未在植物或人类的细胞器基因组编辑中进行过研究。我们首先组装了针对三个水稻质体基因的左或右 TALE 阵列，这三个基因编码光系统 II 的核心成分（ OsPsbA ）、光系统 I （ OsPsaA ）和 30S 核糖体亚基 RNA 成分（ Os16SrRNA ）。构建了三个单体质体碱基编辑器以及 DdCBE 和 Split-TALED 对照，用于在水稻中表达（图 1a ）。我们通过靶向扩增子深度测序评估了再生水稻愈伤组织中的碱基编辑效率。令人印象深刻的是，mTCBE 诱导了高效的 C 到 T 转换，在 OsPsbA 、OsPsaA 和 Os16SrRNA 处的平均编辑频率分别为 42.3%、21.6% 和 19.4%（图 1b-d）。 DdCBE 催化 C 到 T 的转化，在这些目标位点的平均编辑效率分别为 7.8%、33.5% 和 34.2%（图 1b-d）。相比之下，mTCBE-T 的效率低于 mTCBE，C 到 T 的编辑效率为
引文 Qiu J, Wu H, Xie Q, Zhou Y, Gao Y, Liu J, Jiang X, Suo L 和 Kuang Y (2024), 利用 D 介导的精确线粒体 DNA 碱基编辑
社会。最重要的是，迄今为止，针对这一系列致残或限制生命的疾病，获得许可的治疗方法极其有限（Chinnery，2015；Viscomi 等人，2023）。线粒体疾病的治疗方法包括对症治疗以改善生活质量或延长寿命，以及基因治疗以减少异质体并治愈细胞生化缺陷。对症治疗包括操纵线粒体的细胞含量、通过雷帕霉素诱导线粒体周转、恢复 NAD + 水平、调节活性氧的产生和氧化应激等（Russell 等人，2020）。基因治疗包括直接编辑线粒体基因组、基因替代疗法（Silva-Pinheiro 等，2020；Ling 等，2021）和线粒体移植疗法（Green field 等，2017）。基因编辑技术作为一种潜在的治疗选择，在过去十年中已在核遗传疾病的治疗中得到广泛研究（Sharma 等，2015；Nelson 等，2016；De Ravin 等，2017；Zheng 等，2022），越来越多的临床试验正在进行中（Arabi 等，2022）。然而，由于缺乏有效的工具来操纵 mtDNA（ Silva-Pinheiro 和 Minczuk，2022 年），其在由 mtDNA 突变引起的线粒体疾病中的意义受到阻碍，除非通过锌指融合（ Minczuk et al., 2008; Gammage et al., 2014; Gammage et al., 2016a; Gammage et al., 2016b; Gammage et al., 2018b ）或 TALE 融合的 fokI 核酸酶（ Bacman et al., 2013; Reddy et al., 2015; Bacman et al., 2018; Pereira et al., 2018; Yang et al., 2019）或 TALE 融合的 fokI 核酸酶（ Bacman et al., 2013; Reddy et al., 2015; Bacman et al., 2018; Pereira et al., 2018; Yang et al., 2019）切割和消除有害的 mtDNA 拷贝。线粒体DNA碱基编辑技术目前已发展成为生物技术中最常用的编辑技术之一（Pereira et al., 2018），以及基于TALE系统的单体酶（Pereira et al., 2018）。近年来，基于TALE的线粒体DNA碱基编辑工具陆续被引入，第一种是DddA衍生的胞嘧啶碱基编辑器（DdCBE）（Mok et al., 2020），它为按预期操纵线粒体DNA打开了大门。DddA系统来源于伯克霍尔德菌，DdCBE由两半无毒的TALE融合分裂DddA（DddA-N和DddA-C）组成，通过将这两半分裂的DddA重新组装成功能性脱氨酶，催化间隔区域内的胞嘧啶脱氨。目前，DdCBE 已成功应用于植物 (Kang et al., 2021)、哺乳动物细胞 (Mok et al., 2020)、斑马鱼 (Guo et al., 2021)、小鼠 (Lee et al., 2021; Lee et al., 2022a; Guo et al., 2022)、大鼠 (Qi et al., 2021) 甚至人类生殖细胞 (Wei et al., 2022a; Chen et al., 2022) 的线粒体 DNA 编辑。在我们的实验室中，它还已成功用于小鼠早期卵泡阶段的有效生殖系线粒体 DNA 编辑（已提交数据）。不幸的是，它在挽救线粒体疾病方面的应用极其罕见，无论是用于治疗研究（Silva-Pinheiro 等人，2022 年）还是用于临床试验（Chen 和 Yu-Wai-Man，2022 )。众所周知，潜在基因编辑结果的可预测性对于基因编辑技术在临床上用于基因治疗至关重要。为此，已经进行了大量的工作来了解CRISPR系统在核基因组编辑中对不同靶标的编辑规则，并且已经证明对于每个被CRISPR/Cas9编辑的原型间隔物来说，其结果是完全可预测的（van Overbeek et al., 2016 ; Shen et al., 2018 ; Shou et al., 2018 ; Allen et al., 2019 ; Chakrabarti et al., 2019 ; Chen et al., 2019 ; Long, 2019 ; Shi et al., 2019 ），这使我们能够提前知道每种策略在临床上应用的潜在结果。然而，对于线粒体基因组，由于缺乏 DNA 修复，CRISPR/Cas9 尚未参与 mtDNA 编辑