基于CRISPR-Cas9系统的DNA碱基编辑器（BE）可以在不产生双链DNA断裂的情况下对目标DNA的单个碱基直接进行编辑。胞嘧啶脱氨酶和nickase Cas9 (D10A)组成的融合蛋白，即胞嘧啶碱基编辑器（CBE），是重要的新一代精准基因编辑工具。它能够实现编辑窗口内胞嘧啶到胸腺嘧啶（C-to-T）的高效转换，有效避免双链断裂带来的随机DNA片段删除和插入（Indels）。然而如果靶标（target）和非靶标（bystander）胞嘧啶碱基同时存在于碱基编辑窗口内（一般为spacer间隔序列4-10 nt），则CBE无法区别两者，往往对进行无选择编辑。针对这一问题，实验发现如果在脱氨酶APOBEC3G特定位点引入突变，可以在不影响目标碱基编辑效率的情况下显著降低近邻碱基的编辑效率，实现对“CC”序列中第二个C的选择性编辑。然而，突变方案的设计目前主要依赖于经验推测和大量实验验证，缺乏普适性理论引导。
中国科学技术大学物理系汪骞研究员、美国莱斯大学高雪教授和Kolomeisky教授合作，通过计算模拟预测与实验验证结合的研究手段，揭示了通过引入脱氨酶突变提高靶标C编辑特异性的理论依据，并于2021年11月11日在Nature Communications杂志上发表了题为“A general theoretical framework to design base editors with reduced bystander effects”的研究成果【1】。汪骞团队利用离散态随机模型描述了BE的工作过程，并分别求出了目标碱基和邻近碱基编辑效率的解析表达式。理论计算结果表明，可以通过调节脱氨酶和单链DNA的结合自由能，ΔΔEm，来增强BE对目标碱基的选择性，且的最优解可以通过理论计算获得。当设计脱氨酶突变方案时，汪骞团队利用分子动力学模拟进行自由能计算，用以对多种可能的突变方案进行对应的ΔΔEm估计，旨在找到与理论最优解最接近的突变方案。
图1. 碱基编辑器工作的理论模型。
利用此理论框架，作者们定量解释了A3A-BE多种突变对其选择性造成的影响。在此基础上，作者们将此模型应用在新的BE系统A3G-BE上，旨在实现对“CC”序列中第二个C的选择性编辑。在理论引导下，作者们发现了新的突变方案，大大提高了BE对目标碱基的选择性。
图2. 利用理论模型设计新型碱基编辑器。
中国科学技术大学物理系汪骞研究员和莱斯大学高雪课题组博士后杨洁为本文的共同第一作者。汪骞研究员、莱斯大学高雪教授和Kolomeisky教授为本文共同通讯作者。该研究得到了中国国家自然科学基金、中国科技大学青年创新重点基金、美国国家自然科学基金、美国国家卫生院等资助。
[1] Wang, Q.†*, Yang, J.†, Zhong, Z.C., Vanegas, J.A., Gao, X.*, Kolomeisky, A.B.*, A General Theoretical Framework to Design Base Editors with Reduced Bystander Effects, Nature Communications, 2021, https://www.nature.com/articles/s41467-021-26789-5.