多重基因組編輯體系的開發(fā)對于動物疾病模型的創(chuàng)制、動植物農(nóng)藝性狀的疊加或改良以及基因調(diào)控通路的控制等具有重要意義。多重基因組編輯技術(shù)作為一種基礎(chǔ)的植物生物技術(shù)方法，已經(jīng)被應(yīng)用于作物QTL基因的編輯，作物馴化和無融合生殖技術(shù)等。但是，大多數(shù)的植物多重基因組編輯技術(shù)開發(fā)集中在多sgRNA的表達，以實現(xiàn)同一編輯類型的多基因編輯?？捎糜诋a(chǎn)生不同編輯類型的植物多重基因組編輯系統(tǒng)的報道仍比較少。

近日，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞研究組基于Cas9 nickase（nCas9）核酸酶開發(fā)了一個名為單系統(tǒng)產(chǎn)生的同時多重編輯系統(tǒng)（Simultaneous and Wide-editing Induced by a Single System，SWISS）。

SWISS利用兩個含有不同RNA配體的RNA scaffold（scRNA）分別招募相應(yīng)結(jié)合蛋白融合的胞嘧啶脫氨酶或腺嘌呤脫氨酶，同時在不同的靶位點分別實現(xiàn)CBE和ABE兩種編輯類型。再利用nCas9的切口酶活性，將成對的sgRNA引入到SWISS系統(tǒng)中，可以在第三個靶位點處產(chǎn)生DSB，使得SWISS成為具有三重（C-to-T、A-to-G和Knock out）編輯功能的CRISPR系統(tǒng)。

研究者首先使用報告系統(tǒng)對分別用于介導CBE和ABE堿基編輯功能的高效scRNA進行了高通量的篩選，并用水稻內(nèi)源靶位點對候選scRNA進行了驗證。最終選擇了具有3￠端RNA配體的esgRNA-2×MS2和esgRNA-2×boxB，分別用于介導的CBE和ABE的堿基編輯功能。開發(fā)的SWISSv1.1用于實現(xiàn)C-to-T和Knock out雙重功能編輯;SWISSv1.2用于實現(xiàn)A-to-G和Knock out雙重功能編輯。在SWISSv2中同時表達胞嘧啶脫氨酶模塊和腺嘌呤脫氨酶模塊，實現(xiàn)C-to-T和A-to-G雙重功能編輯;在SWISSv2中引入成對的sgRNA，成為SWISSv3，實現(xiàn)C-to-T、A-to-G和Knock out三重功能編輯。并且，SWISSv3在水稻植株中同時產(chǎn)生三種編輯事件的效率為7.3%。

SWISS技術(shù)體系的建立，有望用于植物分子設(shè)計育種、基因性狀疊加和調(diào)控通路的改變等。此外，本研究中使用正交的RNA配體-結(jié)合蛋白對，如MS2-MCP、PP7-PCP、boxB-N22p、Com-com，進一步擴展了用于植物合成生物學研究的工具箱，有利于在植物體內(nèi)執(zhí)行綜合的信號通路、基因通路以及生物傳感器的控制研究。該研究成果于2020年6月16日在線發(fā)表于Genome Biology雜志（DOI：10.1186/s13059-020-02051-x）。高彩霞研究組博士生李超為本文第一作者，高彩霞研究員和王延鵬青年研究員為共同通訊作者。該研究得到中國科學院先導專項A、國家自然基金委、北京市科委重大項目經(jīng)費資助。