作者丨韓揚眉
中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞研究組與David R. Liu研究組合作成功建立並優化了適用於植物的引導編輯系統（Plant Prime Editing，PPE），並在重要農作物水稻和小麥基因組中實現精確的鹼基替換、增添或刪除，由PPE編輯水稻突變體植株，效率最高可達21.8%。
相關成果於2020年3月17日在線發表於《自然—生物技術》。
基因組編輯技術可以定向修飾植物基因組，從而大大加速植物育種的進程，是實現作物精準育種的重要技術突破。
然而，作物的許多重要農藝性狀是由基因組中的單個或少數核苷酸的改變或突變造成的。
基於CRISPR/Cas系統的基因組編輯，可利用外源修復模板通過同源重組介導的修復方式（HDR）實現目標基因特定核苷酸的改變。
不過，目前同源重組在植物中的效率非常低，很難以此方式實現高效、穩定的植物基因組的精準編輯。
由CRISPR系統所衍生的胞嘧啶和腺嘌呤鹼基編輯器，可以分別在基因組靶向位點實現C:G>T:A或A:T>G:C的鹼基替換，且在植物中得到成功應用。
然而，鹼基編輯技術還不能實現其它類型的鹼基替換(C:G>A:T和A:T>C:G)及鹼基轉換 (C:G>G:C和A:T>T:A) ，更不能實現片段的精準插入和刪除。
因此，植物育種和基因功能研究迫切需要可以高效、精準實現任意鹼基替換、增添或刪除的基因組定向編輯技術體系。
哈佛大學David R. Liu教授研究團隊在哺乳動物中開發了全新的基因組引導編輯（Prime Editing）系統。
該系統由nCas9（H840A）融合逆轉錄酶（RT）和pegRNA（prime editingguide RNA）兩部分組成，是一種不需要產生DNA雙鏈斷裂以及不需要供體DNA的基因組編輯方法。
在引導編輯系統中，pegRNA通過在sgRNA骨架的3’端引入引物初始結合位點（Primerbinding site，PBS)序列結合到nCas9斷裂的非靶標鏈上，逆轉錄酶根據其攜帶的RT模板逆轉錄出相應的含有目的突變的單鏈DNA。
細胞進一步通過DNA損傷修復把目的突變引入基因組。此外，在Cas9非靶標鏈上引入能在產生缺刻的nicking sgRNA，有助於提升引導編輯的效率。
高彩霞研究通過優化密碼子、啟動子和編輯條件，建立了更適用於植物的引導編輯系統。
研究人員通過PPE系統在水稻和小麥原生質體中實現了16個內源位點的精準編輯，包括12種類型的單鹼基替換、多鹼基替換、小片段的精準插入和刪除，編輯效率最高可達19.2%。
圖: 植物基因組引導編輯系統（PPE）可精準編輯植物基因組。(a) PPE編輯系統工作原理示意圖。(b) 熒光報告系統比較不同PPE編輯系統工作效率。(c) PPE編輯系統可在多個內源位點上產生12種類型的單鹼基變換，以及多鹼基變換和小片段增刪。
進一步研究發現，該系統的編輯效率受到引物初始結合位點（PBS）和/或逆轉錄酶（RT）模板長度以及nicking sgRNA位置的影響。
隨後，研究人員對PPE系統進行了一系列的優化，發現37℃條件下培養可以顯著提升該系統的編輯效率(1.6倍)，通過引入核酶，使其對pegRNA進行精準切割，也可以在部分位點提高編輯效率。
此外，來源於植物花椰菜花葉病毒和大腸桿菌retron系統的逆轉錄酶可以與nCas9融合在植物中實現精準引導編輯。
最後，研究人員通過PPE成功獲得了單鹼基突變、多鹼基突變及精準刪除的水稻突變體植株，效率最高可達21.8%，這些突變均難以通過現有的基因編輯系統實現。
研究人員認為，雖然Plant PrimeEditing系統在部分位點上C:G>T:A或A:T>G:C的效率低於單鹼基編輯系統，但是該系統可以實現所有類型的鹼基置換，以及鹼基增加和刪除。
PPE極大地擴展了植物基因組編輯範疇，為植物基因組功能解析及實現作物精準育種提供了重要技術支撐。
論文信息：
DOI：10.1038/s41587-020-0455-x
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