基因组所3项研究成果入选2020年度中国农业科学院重大科学发现

　　

　　​近日，中国农业科学院公布了《2020年度中国农业科学院重大科学发现》，此次共有8项研究进展入选，其中基因组所左二伟团队的“合理设计胞嘧啶碱基编辑器可在保持高靶向活性同时降低DNA和RNA的非靶向效应”、阮珏团队的“成功设计出快速、准确的长片段组装专门程序”、黄三文团队的“成功实现杂合二倍体马铃薯的单体型分辨基因组分析”研究成果成功入选。

　　

合理设计胞嘧啶碱基编辑器可在保持高靶向活性同时降低DNA和RNA的非靶向效应

　　

　　CRISPR/Cas9是广泛关注的新一代基因编辑工具，自从2012年被发明以来备受外界期待。而单碱基编辑技术是CRISPR/Cas9的衍生工具，该技术可以在不切断DNA双链的情况下实现单核苷酸的定向突变，为治疗单碱基突变引起的遗传性疾病带来了希望。

　　目前已知的人类致病遗传变异中，约58%都属于点突变，而约15%的致病点突变都属于T·A--C·G变异。2016年，美国博德研究所、哈佛大学的David Liu的实验室开发出新型单碱基编辑器CBE（Cytosine Base Editor）。

　　

　　但从2019年开始，单碱基编辑工具的安全性受到了质疑。杨辉、美国麻省总医院J. Keith Joung等国内外多个研究团队此前发文报道了单碱基编辑器存在严重的DNA和RNA脱靶效应，该效应可能会引起包括癌症在内的多种非预期的副作用。与此同时，国内外多位科学家通过多种方式研究降低基因编辑DNA和RNA脱靶的方法，取得了一定进展，但也存在一定局限。

　　

　　CBE的脱靶效应是由重要组件胞嘧啶脱氨酶利用自身的ssDNA和RNA结合能力，携带Cas9蛋白在基因组或者转录组中随机与ssDNA和RNA结合，并且将DNA中C突变为T或者将RNA中的C转变为U，从而造成脱靶效应。

　　

　　基因组所左二伟研究员团队利用结构生物学技术，预测到CBE中胞嘧啶脱氨酶APOBEC1的ssDNA和RNA结合功能域，通过蛋白工程手段引入突变，以期破坏结合功能域，消除脱靶效应。通过构建了23个CBE突变体，研究发现其中 4个突变体保持基因编辑效率不变。通过GOTI和RNA-seq技术进行脱靶检测发现， 3个突变体BE3R126E、BE3R132E和YE1-BE3能够显著降低DNA和RNA的脱靶效应。为了提高单碱基编辑效率，随后在突变体基础上增加标签和核定位序列（FNLS）。优化后的单碱基编辑工具YE1-BE3-FNLS在保证高保真的情况下，显著降低了脱靶效应并提高了基因编辑效率。由于其高效性及安全性上的优越表现，提升了单碱基基因编辑工具在转基因动物育种、遗传疾病基因治疗等领域的应用潜力。

　　

　　该研究成果发表在《自然·方法（Nature Methods）》

　　

　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41592-020-0832-x

　　

　　

 

成功设计出快速、准确地长片段组装专门程序

　　

　　基因组学技术飞速进步既源于测序技术的发展，同时也依赖于数据分析技术的提高。测序技术飞速发展带来的数据产出速度远高于数据分析速度的尴尬状况，使得对更高效的组装分析算法的需求愈发加大。针对长序列组装消耗计算资源巨大等系列问题，基因组所阮珏研究员团队开发了全新的组装算法——Wtdbg2（https://github.com/ruanjue/wtdbg2），极大提高三代测序数据的分析效率，其速度是已公布的工具的2-17倍。

　　

　　Wtdbg2算法提出了k-bin的概念来表示测序序列上连续的多个序列块，使用k-bin作为组装图的顶点，使用紧邻跨过两个k-bin的测序序列组成组装图的边，提出了模糊布鲁因组装图（Fuzzy Bruijn Graph，FBG）以及该图的构建与化简方法。与德布鲁因组装图（DBG）相比，FBG避免了高错误率带来的高覆盖路径中断问题；与字串图（String Graph）相比，FBG能够很好地识别出重复序列，减少组装结构错误，还能够避免长序列局部高错误带来的序列失配。该算法首次将测序数据分析时间降低到少于测序数据产出时间，能够在一天内实现人类基因组的组装，同时实现了可比的毗连性和准确性，为未来的复杂基因组的精细组装以及群体规模的泛基因组研究铺平了道路。

　　

　　该研究成果发表在《自然·方法（Nature Methods）》

　　

　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41592-019-0669-3

 

　　

　　

　　

 

成功实现杂合二倍体马铃薯的单倍型分辨基因组分析

　　

　　栽培马铃薯是同源四倍体，杂交后代性状分离严重，导致育种研究困难，品种改良周期漫长。千百年来，马铃薯一直通过块茎进行无性繁殖。近年来，基因组所联合多家单位发起了“优薯计划”，用基因组学和合成生物学指导马铃薯产业的“绿色革命”，用二倍体替代四倍体，并用杂交种子替代薯块，对马铃薯的育种和繁殖方式进行颠覆性创新。

　　

　　2011年，黄三文团队参与了由14个国家组成的国际马铃薯基因组测序联盟，主导完成了单倍体马铃薯DM的基因组。2017年，团队再次对二倍体马铃薯RH发起科研攻关，通过多种测序技术相结合的策略，克服了杂合基因组组装的障碍，成功组装了两套染色体级别的单体型，并进行了序列变异、基因表达、有害突变预测、重点基因挖掘等分析。研究发现二倍体马铃薯基因组内积累了2万余个有害突变，并且有些有害突变与优良基因紧密连锁，很难通过传统杂交的方法彻底淘汰。在二倍体育种中需要通过不同遗传背景自交系的杂交，使有害突变保持在杂合状态，屏蔽其不良效应。该工作首次解析了二倍体马铃薯基因组单体型，为马铃薯二倍体育种提供理论支持，有助于利用基因组学和合成生物学方法快速打构建优良的二倍体自交系，让优薯计划的实现又向前迈进了一步。

　　

　　该研究成果发表在《自然·遗传学（Nature Genetics）》。