先导编辑是一种通过融合Cas核酸酶与逆转录酶的新型基因编辑系统，能够实现非同源重组依赖的任意碱基替换、DNA片段插入和删除，在疾病治疗和农业育种等领域有重大应用前景。先导编辑已被广泛应用于多种真核细胞，如人类细胞、小鼠细胞和植物细胞等的基因组编辑，但该系统在细菌中的应用仍旧受限，目前只在大肠杆菌的质粒上实现编辑。
1月27日，金沙集团1862cc物质科学与技术学院化学与物理生物学研究部季泉江团队在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表研究成果。本项研究发现了细菌中限制先导编辑的关键因子，阐明了3ʹ→5ʹ DNA 外切酶降解先导编辑中间产物的分子机制，并通过抑制3ʹ→5ʹ DNA 外切酶实现了先导编辑在细菌中的高效基因组编辑。
研究人员首先将先导编辑系统应用于耻垢分枝杆菌和大肠杆菌的基因组编辑，意外发现同样的先导编辑系统在耻垢分枝杆菌中的编辑效率远高于在大肠杆菌中的编辑效率，推测遗传背景的不同可能是导致这种差异的关键因素。
为了验证猜想，研究通过遗传筛选，对DNA代谢、修复相关的129个大肠杆菌突变体分别进行了先导编辑实验并发现3ʹ→5ʹ ssDNA 外切酶是限制先导编辑的关键因子。其中，sbcB是最为关键的限制因子；在sbcB缺失菌株中，细菌存在代偿机制，利用另外两种3ʹ→5ʹ ssDNA 外切酶exoX和xseA来限制先导编辑。进一步研究表明，同时敲除sbcB、exoX和xseA最高可以提升100倍的编辑效率。同时，高效的先导编辑也可以通过利用CRISPRi对sbcB、exoX和xseA的转录抑制实现。此外，研究人员发现在肺炎克雷伯菌和鲍曼不动杆菌敲除相应的3ʹ→5ʹ ssDNA 外切酶后，先导编辑的效率得到显著提升，从而表明，3ʹ→5ʹ ssDNA 外切酶降解先导编辑中间产物的机制在不同细菌中具有保守性。
本项研究发现的细菌中先导编辑抑制机制与人类细胞中的抑制机制存在明显差异（图1）。人类细胞主要利用DNA错配修复通路（MMR），通过修复先导编辑产物发生链平衡后的中间体来实现先导编辑抑制。细菌则通过3ʹ→5ʹ ssDNA 外切酶直接切除先导编辑的最早产物来限制先导编辑，这表明不同物种中可能存在不同途径来限制先导编辑。
图1：先导编辑中间产物的修复机制
金沙集团1862cc季泉江课题组博士后张洪源为成果的第一作者，季泉江教授为通讯作者，金沙集团1862cc为第一完成单位。
论文标题：BacPE: a versatile prime-editing platform in bacteria by inhibiting DNA exonucleases
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