伊成器课题组揭示线粒体编辑器具有广泛的核基因组脱靶编辑

DdCBE是一种新型的基因编辑工具，它能够实现线粒体基因组靶向位置C·G→T·A的碱基编辑，具有很大的临床应用潜力[1]。但在将该工具应用于临床治疗之前，需要系统和全面地评估其安全性。

2022年5月12日，北京大学生命科学学院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室伊成器课题组于Nature在线发表了题为Mitochondrial base editor induces substantial nuclear off-target mutations的研究论文。该研究详细评估了DdCBE在人类细胞系中的核基因组脱靶编辑效应，深入探究了其核基因组脱靶作用机制和工具的优化方案，并首次发现了由细菌毒素DddA构成的DdCBE碱基编辑工具与维持细胞三维结构的重要蛋白CTCF有相互作用。

该研究发现，DdCBE发挥线粒体基因组编辑功能的同时，一小部分意外地进入了细胞核，并在细胞核基因组中产生了广泛的脱靶编辑（图1）[2]。

图1 ARABIC1DdCBE能够产生广泛的核基因组脱靶编辑

该研究发现，DdCBE造成的核基因组脱靶编辑分为TAS依赖型脱靶编辑和TAS非依赖型脱靶编辑两种类型，且以后者居多。

其中，TAS依赖型脱靶和单端TALE序列特异性有关，这意味着在应用DdCBE工具时，需要分别对双侧TALE序列的基因组特异性进行考虑，从而减少这种脱靶的产生[2]。

而大量的TAS非依赖型脱靶不依赖于TALE序列特异性，并且在不同种类的DdCBEs中共享[2]。该研究进一步发现这种脱靶编辑与CTCF蛋白有关，并且显著地富集在拓扑相关结构域（TAD）边界。这是一项意料之外的发现，并提示了DdCBE可能具有影响细胞核基因组三维结构的能力。

最后，该团队对DdCBE进行了优化改造，并且成功降低了其核基因组脱靶影响。

综上所述，本项研究利用课题组先前开发的Detect-seq技术对DdCBE碱基编辑工具在人类细胞中的核基因组脱靶编辑影响进行了无偏向性地评估，并探索了相关机制，发现了TAS依赖型和TAS非依赖型的脱靶编辑；对DdCBE工具进行了优化改造；首次发现了由细菌毒素DddA构成的DdCBE碱基编辑工具与维持细胞三维结构的重要蛋白CTCF之间的相互作用。研究成果对于推动基因编辑技术在治疗线粒体疾病方面的应用提供了重要的理论依据。

北京大学-清华大学生命科学联合中心、北京大学生命科学学院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室伊成器教授为本文通讯作者；前沿交叉学科研究院雷芷芯博士，博士后孟浩巍、刘璐璐，清华大学生命科学学院博士生赵华男为本文共同第一作者；北京大学生命科学学院博士生饶希晨、前沿交叉学科研究院博士生闫永昌、乌浩、刘敏对本项目做出了重要贡献；北京大学分子医学研究所，北京大学-清华大学生命科学联合中心何爱彬研究员对本项目做出了重要的指导与帮助；另外，感谢北京大学生命科学学院魏文胜教授、杜鹏研究员，未来技术学院程和平教授，清华大学生命科学学院颉伟教授、卢绪坤博士对本研究提供的指导与帮助；感谢北京大学前沿交叉学科研究院博士生邵楚云、张小雪的帮助；感谢北京大学凤凰平台单春燕博士、付利琴博士、覃思颖博士、郭英华博士、李桂澜博士、张潇慧女士对本项目的帮助与指导！

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及生命科学联合中心的资助。生命科学学院高性能计算平台为该研究提供了计算资源。凤凰工程（北大部分）为该研究提供了技术支持。

参考文献：

1.    Mok, B.Y., et al., A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing. Nature, 2020. 583(7817): p. 631-637.

2.    Lei, Z., et al., Mitochondrial base editor induces substantial nuclear off-target mutations. Nature, 2022.