?近日，中國農(nóng)業(yè)科學院公布了《2020年度中國農(nóng)業(yè)科學院重大科學發(fā)現(xiàn)》,，此次共有8項研究進展入選,，其中基因組所左二偉團隊的“合理設計胞嘧啶堿基編輯器可在保持高靶向活性同時降低DNA和RNA的非靶向效應”、阮玨團隊的“成功設計出快速,、準確的長片段組裝專門程序”,、黃三文團隊的“成功實現(xiàn)雜合二倍體馬鈴薯的單體型分辨基因組分析”研究成果成功入選。

合理設計胞嘧啶堿基編輯器可在保持高靶向活性同時降低DNA和RNA的非靶向效應

　　CRISPR/Cas9是廣泛關注的新一代基因編輯工具,，自從2012年被發(fā)明以來備受外界期待,。而單堿基編輯技術是CRISPR/Cas9的衍生工具，該技術可以在不切斷DNA雙鏈的情況下實現(xiàn)單核苷酸的定向突變,，為治療單堿基突變引起的遺傳性疾病帶來了希望,。

　　目前已知的人類致病遺傳變異中，約58%都屬于點突變,，而約15%的致病點突變都屬于T·A--C·G變異,。2016年，美國博德研究所,、哈佛大學的David Liu的實驗室開發(fā)出新型單堿基編輯器CBE（Cytosine Base Editor）,。

　　但從2019年開始,，單堿基編輯工具的安全性受到了質(zhì)疑。楊輝,、美國麻省總醫(yī)院J. Keith Joung等國內(nèi)外多個研究團隊此前發(fā)文報道了單堿基編輯器存在嚴重的DNA和RNA脫靶效應,，該效應可能會引起包括癌癥在內(nèi)的多種非預期的副作用。與此同時,，國內(nèi)外多位科學家通過多種方式研究降低基因編輯DNA和RNA脫靶的方法,，取得了一定進展，但也存在一定局限,。

　　CBE的脫靶效應是由重要組件胞嘧啶脫氨酶利用自身的ssDNA和RNA結合能力,，攜帶Cas9蛋白在基因組或者轉(zhuǎn)錄組中隨機與ssDNA和RNA結合，并且將DNA中C突變?yōu)門或者將RNA中的C轉(zhuǎn)變?yōu)閁,，從而造成脫靶效應,。

　　基因組所左二偉研究員團隊利用結構生物學技術，預測到CBE中胞嘧啶脫氨酶APOBEC1的ssDNA和RNA結合功能域,，通過蛋白工程手段引入突變,，以期破壞結合功能域，消除脫靶效應,。通過構建了23個CBE突變體,，研究發(fā)現(xiàn)其中 4個突變體保持基因編輯效率不變。通過GOTI和RNA-seq技術進行脫靶檢測發(fā)現(xiàn),， 3個突變體BE3R126E,、BE3R132E和YE1-BE3能夠顯著降低DNA和RNA的脫靶效應。為了提高單堿基編輯效率,，隨后在突變體基礎上增加標簽和核定位序列（FNLS）,。優(yōu)化后的單堿基編輯工具YE1-BE3-FNLS在保證高保真的情況下，顯著降低了脫靶效應并提高了基因編輯效率,。由于其高效性及安全性上的優(yōu)越表現(xiàn),，提升了單堿基基因編輯工具在轉(zhuǎn)基因動物育種、遺傳疾病基因治療等領域的應用潛力,。

　　該研究成果發(fā)表在《自然·方法（Nature Methods）》

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41592-020-0832-x

成功設計出快速,、準確地長片段組裝專門程序

　　基因組學技術飛速進步既源于測序技術的發(fā)展，同時也依賴于數(shù)據(jù)分析技術的提高,。測序技術飛速發(fā)展帶來的數(shù)據(jù)產(chǎn)出速度遠高于數(shù)據(jù)分析速度的尷尬狀況,，使得對更高效的組裝分析算法的需求愈發(fā)加大。針對長序列組裝消耗計算資源巨大等系列問題,，基因組所阮玨研究員團隊開發(fā)了全新的組裝算法——Wtdbg2（https://github.com/ruanjue/wtdbg2）,，極大提高三代測序數(shù)據(jù)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的概念來表示測序序列上連續(xù)的多個序列塊,，使用k-bin作為組裝圖的頂點,，使用緊鄰跨過兩個k-bin的測序序列組成組裝圖的邊，提出了模糊布魯因組裝圖（Fuzzy Bruijn Graph,，F(xiàn)BG）以及該圖的構建與化簡方法,。與德布魯因組裝圖（DBG）相比，F(xiàn)BG避免了高錯誤率帶來的高覆蓋路徑中斷問題,；與字串圖（String Graph）相比,，F(xiàn)BG能夠很好地識別出重復序列，減少組裝結構錯誤,，還能夠避免長序列局部高錯誤帶來的序列失配,。該算法首次將測序數(shù)據(jù)分析時間降低到少于測序數(shù)據(jù)產(chǎn)出時間，能夠在一天內(nèi)實現(xiàn)人類基因組的組裝,，同時實現(xiàn)了可比的毗連性和準確性,，為未來的復雜基因組的精細組裝以及群體規(guī)模的泛基因組研究鋪平了道路。

　　該研究成果發(fā)表在《自然·方法（Nature Methods）》

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41592-019-0669-3

成功實現(xiàn)雜合二倍體馬鈴薯的單倍型分辨基因組分析

　　栽培馬鈴薯是同源四倍體,，雜交后代性狀分離嚴重,，導致育種研究困難，品種改良周期漫長,。千百年來,，馬鈴薯一直通過塊莖進行無性繁殖。近年來,，基因組所聯(lián)合多家單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”,，用基因組學和合成生物學指導馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的“綠色革命”，用二倍體替代四倍體,，并用雜交種子替代薯塊,，對馬鈴薯的育種和繁殖方式進行顛覆性創(chuàng)新,。

　　2011年,，黃三文團隊參與了由14個國家組成的國際馬鈴薯基因組測序聯(lián)盟，主導完成了單倍體馬鈴薯DM的基因組,。2017年,，團隊再次對二倍體馬鈴薯RH發(fā)起科研攻關，通過多種測序技術相結合的策略,，克服了雜合基因組組裝的障礙,，成功組裝了兩套染色體級別的單體型，并進行了序列變異,、基因表達,、有害突變預測、重點基因挖掘等分析,。研究發(fā)現(xiàn)二倍體馬鈴薯基因組內(nèi)積累了2萬余個有害突變,，并且有些有害突變與優(yōu)良基因緊密連鎖,，很難通過傳統(tǒng)雜交的方法徹底淘汰。在二倍體育種中需要通過不同遺傳背景自交系的雜交,，使有害突變保持在雜合狀態(tài),，屏蔽其不良效應。該工作首次解析了二倍體馬鈴薯基因組單體型,，為馬鈴薯二倍體育種提供理論支持,，有助于利用基因組學和合成生物學方法快速打構建優(yōu)良的二倍體自交系，讓優(yōu)薯計劃的實現(xiàn)又向前邁進了一步,。

　　該研究成果發(fā)表在《自然·遺傳學（Nature Genetics）》,。