單鹼基編輯技術(Base editor)是基於CRISPR系統的新型靶基因定點修飾技術，在不產生DNA雙鏈斷裂的情況下，利用胞嘧啶脫氨酶或人工進化的腺嘌呤脫氨酶對靶位點進行精準的單鹼基編輯，從而實現C-T或A-G的替換。目前，基於融合大鼠胞嘧啶脫氨酶APOBEC1的BE3介導的C-T鹼基編輯技術已廣泛應用在植物中，但該系統仍然存在一定的缺陷，如編輯效率低、編輯的活性窗口相對狹窄以及對GC序列的編輯效率明顯降低甚至沒有編輯活性等，這些弊端限制了單鹼基編輯系統在植物中進行精準和多樣化突變的應用。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞研究組前期將BE3應用於植物基因組單鹼基編輯中(命名為PBE系統) (Zong et al, Nat. Biotechnol, 2017)。該研究在前期研究基礎上利用Cas9變體(nCas9-D10A)融合人類胞嘧啶脫氨酶APOBEC3A (A3A)和尿嘧啶糖基化酶(UGI)，構成新的單鹼基編輯系統A3A-PBE，成功在小麥、水稻及馬鈴薯中實現比PBE更加高效的C-T單鹼基編輯。原生質體報告系統以及對小麥和水稻的10個內源基因靶點編輯結果表明，A3A-PBE編輯效率最高可達36.9%, 平均C-T編輯效率為13.1%，比PBE的效率約高13倍；且此編輯系統脫氨化的窗口可覆蓋靶序列的17個核苷酸，相比PBE增加了10個核苷酸的活性窗口。更重要的是，A3A-PBE的編輯不受GC序列的影響，依然有著高效的編輯活性，效率可高達42.1%。利用此技術體系，通過基因槍瞬時轉化對小麥抗除草劑基因TaALS和對單倍體誘導基因TaMTL進行編輯，效率分別達到22.5%和16.7%，且TaALS突變體對除草劑表現出顯著的抗性；通過農桿菌轉化法在水稻中的編輯效率高達82.9%。此外，A3A-PBE可對馬鈴薯內源基因進行高效編輯，效果明顯優於PBE，且通過原生質體再生獲得了6.5%編輯效率的馬鈴薯突變植株。A3A-PBE鹼基編輯系統具有高效、寬脫氨化窗口及對靶標C上文無序列偏好性等優勢，可拓寬植物單鹼基編輯的範圍。該體系的建立對實現植物基因組大規模體內飽和突變，研究植物基因功能及基因調控元件作用等具有重要的技術支撐意義。
該研究成果於10月1日在線發表在《自然-生物技術》雜誌上（Nature Biotechnology，DOI: 10.1038/nbt.4261）。高彩霞研究組的博士生宗媛和宋倩娜為該論文的共同第一作者。相關研究得到國家自然基金委、轉基因專項以及中科院的資助。
A3A-PBE單鹼基編輯系統工作原理示意圖
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