引言 /Introduction
引言 /Introduction
基因组是一个巨大的黑箱。即使我们拥有了成熟的基因组编辑工具（ CRISPR-Cas9 等）以及基因组分析工具（单细胞组学等），我们仍然无法高通量且大规模地研究特定位点的碱基突变如何影响整个细胞的生理功能。2024年10月11日，发表于 Science 上的开创性研究 ⌈Helicase-assisted continuous editing for programmable mutagenesis of endogenous genomes⌋ （直译：解旋酶辅助的连续编辑用于内源基因组的可编程突变）中提出了一个全新的基因组编辑平台 HACE（解旋酶辅助连续编辑）。
HACE 的核心突破在于将 CRISPR-Cas9 和解旋酶-脱氨酶结合起来，实现了在哺乳动物内源基因组中长距离、连续性的高效超突变。HACE 可以同时针对编码区和非编码区基因组，克服了传统基因组编辑工具在研究非编码区功能时的局限性，特别是在分析增强子、启动子等调控元件的功能和揭示非编码序列的潜在功能变异上。
Xi Dawn Chen, Fei Chen 等/ 作者
Zihao / 整理
范锐、孟凡康 / 审校
Zihao
技术简介
HACE（解旋酶辅助连续编辑 Helicase-assisted continuous editing) 系统基于 CRISPR 切口酶，HACE 首先在基因组特定位点的双链 DNA 上产生单链切口，单链切口会招募解旋酶（Helicase）。
解旋酶沿 DNA 上进行长距离移动，将 DNA 双链解螺旋，从而进行 DNA 复制，重组，修复等活动。该系统通过融合解旋酶，脱氨酶和尿嘧啶 DNA 糖基化酶抑制剂 (UGI)，可以在解旋酶沿 DNA 移动的过程中对经过的碱基进行脱氨基反应，导致胞嘧啶（C）转变为尿嘧啶（U），腺嘌呤（A）转变为次黄嘌呤（H），从而引起 C→T , A→G 的突变，从而在基因组特定位置实现长片段、连续的突变。
▲ HACE系统示意图
HACE 系统的开发
在 HACE 系统的开发中，研究人员首先进行了整个系统可行性的初步验证，如下图所示，Cas9 切口酶在特定位点产生切口后，该系统可以在上下游 1000bp 的长度处都产生明显的 G>A 和 C >T突变（见下图）。
▲ HACE 系统的初步验证
随后，开发人员开发了多种 HACE 的变体，分别对基因组的不同靶点、产生切口的位置（正、反义链）、有无尿嘧啶 DNA 糖基化酶抑制剂 (UGI) 结构域所生成的的突变率，突变种类差异进行了系统性分析。可以得出，不同靶点对正反义链切口是具有偏好性的，不同靶点产生的突变类型也不相同，其中 G>A 突变率一般较高，同时 UGI 结构域可以增加绝大部分位点的突变率。
▲ HACE 系统变体的系统性分析
HACE 的概念性验证
为了验证 HACE 系统在基因组学研究中的应用价值，该团队选择了三个不同的研究方向：突变导致的耐药性、可变剪接的调控机制和非编码序列的功能。他们通过这些实验测试了 HACE 系统在未来不同领域中的应用潜力。
使用 HACE 理解突变位点与细胞耐药性
▲ HACE 系统对 MEK1 进行突变，从而研究细胞耐药性
▲ HACE 系统对 SF3B1 进行突变，从而可变剪接的调控
使用 HACE 揭示非编码调控元件的功能基础和变体
▲ HACE 系统对 CD69 增强子进行突变，得以系统地解析非编码调控序列
结语
参考链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn5876
