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2023年 第44卷 第3期    刊出日期：2023-03-10

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序

核酸修饰与编辑的化学生物学前沿专辑

周　翔　伊成器　季泉江

2023, 44(3):  1-2. 

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目次

高等学校化学学报2023年第44卷第3期封面和目次

2023, 44(3):  1-4. 

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综合评述

化学调控CRISPR/Cas9基因编辑技术的研究进展

肖珩, 李永奎, 邢曦雯

2023, 44(3):  20220410.  doi:10.7503/cjcu20220410

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规律间隔成簇短回文重复序列及其相关蛋白9(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-associated protein 9, CRISPR/Cas9)基因编辑技术作为一项基因工程领域革新式的技术, 为癌症、 遗传性疾病及感染性疾病等多种重大疾病的治疗提供了极大的帮助. 但如何在特定细胞和组织中实现时空调控的精准基因编辑, 进而避免脱靶效应, 依然是该技术在临床转化领域面临的重要挑战. 近年来, 通过化学分子和反应实现对CRISPR/Cas9活性的调控已经成为提升这项基因编辑技术效率的重要手段之一. 本文综合评述了一些最近报道的化学调控CRISPR/Cas9基因编辑的方法, 并对其在临床医学领域的应用前景进行了展望.



基于超分子化学的核酸表观遗传修饰研究

张凯嵩, 王少儒, 张雨桐, 田沺

2023, 44(3):  20220335.  doi:10.7503/cjcu20220335

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核酸是生物体的遗传物质, 在生命体系中发挥着重要作用. 除了构成核酸的经典碱基之外, 核酸中还存在天然修饰的碱基, 这被称为核酸的表观遗传修饰. 核酸的表观遗传修饰在基因表达过程中具有重要的调控作用, 对生物体遗传和生命生长过程影响很大, 并且核酸表观遗传与疾病密切相关. 超分子化学是研究分子间键的化学, 而许多生物分子都需要通过超分子化学作用来发挥其生物功能, 可以说生物体内天然存在着大量的超分子化学过程. 本文综合评述了基于超分子化学的核酸表观遗传修饰研究的一些代表性工作.



化学干预N⁶-甲基腺嘌呤修饰的研究进展

郇歆宇, 赖淦强, 黄悦, 杨财广

2023, 44(3):  20220340.  doi:10.7503/cjcu20220340

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信使RNA(Messenger RNA, mRNA)上存在众多修饰, 包括N⁶-甲基腺嘌呤修饰(N⁶-methyladenosine, m⁶A)、 N¹-甲基腺嘌呤修饰(N¹-methyladenosine, m¹A)及胞嘧啶甲基化(5-methylcytosine, m⁵C)等. 其中, m⁶A是mRNA内部修饰碱基中占比最高的一种, 影响着mRNA的5′和3′端加工、 在细胞中的定位、 降解和翻译等过程, 并在转录后调控基因表达水平, 以此参与胞内的多种生理活动. 本文综合评述了m⁶A修饰的分子机制及其与多种疾病的关系, 概述了m⁶A鉴定技术的发展历程, 重点讨论了m⁶A化学干预的最新研究进展, 以期让读者全面了解m⁶A修饰, 并为后续开发针对m⁶A修饰的小分子药物提供参考.



检测核酸表观遗传修饰的测序方法

方鑫, 赵瑞奇, 莫婧, 王雅芬, 翁小成

2023, 44(3):  20220342.  doi:10.7503/cjcu20220342

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生物个体中的所有体细胞享有相同的遗传信息, 但具有不同的RNA表达亚群和蛋白组, 在特定的时间, 实际上只有部分基因被表达并执行其功能. 近年来, 表观遗传学研究的突破在一定程度上帮助人们理解了基因表达的调控. DNA、 RNA 和蛋白质这3类生物大分子在合成后都会进行化学修饰, 这些修饰几乎涉及所有生物过程的调控. 迄今, 已经在DNA和RNA中分别鉴定出超过17种和160种化学修饰, 对DNA和RNA修饰的各种生物学功能的研究兴趣推动了表观基因组学和表观转录组学前沿领域的发展. 开发化学和生物学工具来检测基因组或转录组中的特定修饰是表观基因组学和表观转录组学研究的关键, 本文综述了一些常见的核酸修饰的高通量测序方法, 提出现有方法中的一些瓶颈以及可能的创新方法.



CRISPR⁃Cas基因编辑技术在微生物组工程中的应用

胡玉灿, 曹朝辉, 郑灵刚, 沈俊涛, 赵维, 戴磊

2023, 44(3):  20220362.  doi:10.7503/cjcu20220362

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微生物组工程是对复杂微生物群落进行改造, 在基因组、 代谢组及群落生态结构等多个层次上实现微生物组的精准调控. 成簇规律间隔短回文序列(CRISPR)及其相关蛋白(CRISPR-Cas)系统是近期发展迅速的高效基因编辑工具. 本文回顾了微生物组工程领域CRISPR-Cas系统的重要研究工作, 重点关注CRISPR-Cas系统在微生物组的基因编辑和生态调控方面的应用. 针对CRISPR-Cas系统在微生物组工程领域的应用挑战, 本文从外源DNA递送方式和基因表达调控元件两个方面总结了微生物组工程的关键辅助方法与发展趋势, 展望了微生物组工程领域所面临的挑战与机遇.



基因编辑在线粒体疾病中的应用

常丽颖, 凌鑫宇, 陈和祺, 王雪, 刘涛

2023, 44(3):  20220363.  doi:10.7503/cjcu20220363

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线粒体作为细胞的能量工厂, 在维持细胞能量代谢与人类生命活动中发挥着至关重要的作用. 线粒体基因组的突变会导致一系列线粒体遗传代谢疾病的发生, 严重威胁人类生命健康, 发展靶向线粒体的基因编辑手段对于线粒体疾病的治疗具有重要意义. 近年来, 以限制性核酸酶、 锌指核酸酶、 转录激活因子样效应核酸酶、 规律成簇的间隔短回文重复序列(CRISPR)以及碱基编辑器为代表的一系列基因编辑方法迅速发展. 本文综合评述了基因编辑工具应用于哺乳动物细胞的线粒体DNA的研究进展、 不足和发展方向, 以期为线粒体疾病治疗技术的开发提供参考.



核酸G-四链体的识别、 复合物结构与细胞内探测的研究进展

刘文婷, 刘柳宜, 朱博琛, 毛宗万

2023, 44(3):  20220419.  doi:10.7503/cjcu20220419

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富含鸟嘌呤的DNA或RNA序列可以折叠成非典型G-四链体二级结构. G-四链体结构丰富多样, 在生物体内动态存在, 参与了转录、 复制、 基因组稳定性和表观遗传调控等关键的基因组功能, 与癌症生物学密切相关. G-四链体的结构与功能机制研究促进了以G-四链体为靶点的肿瘤治疗干预. 本文综合评述了核酸G-四链体的特异性识别、 细胞内探测及生物学功能的调控, 总结了识别靶向G-四链体的小分子及复合物结构的研究进展, 讨论了以G-四链体为靶点的靶向干预及疾病治疗的可能性, 最后展望了G-四链体未来研究所面临的挑战与机遇.



硫代磷酸酯寡聚核苷酸的立体控制合成研究进展

曹舒杰, 李泓君, 管文丽, 任梦田, 周传政

2023, 44(3):  20220304.  doi:10.7503/cjcu20220304

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硫代磷酸酯(PS)修饰的寡聚核苷酸被广泛应用于生物化学机制研究、 生物医药和新材料等领域. 硫代磷酸酯中心P原子的立体构型对于PS核酸的生化性质具有显著影响. 因此, 高效、 高立体选择性地合成PS寡聚核苷酸在过去的30年中引起了广泛的关注. 本文分类归纳了制备立体纯PS寡聚核苷酸的方法, 重点总结了近10年来基于立体纯单体和手性催化剂进行立体控制合成PS寡聚核苷酸的重要进展, 对不同合成方法的优缺点进行了对比分析, 最后对立体纯PS寡聚核苷酸合成的前景进行了展望.



基于小分子化学反应工具构建CRISPR-Cas9功能调控体系的研究进展

孔好, 徐菲洋, 王依香, 张艳

2023, 44(3):  20220346.  doi:10.7503/cjcu20220346

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CRISPR技术是目前基因编辑领域的一大研究热点, 已在疾病治疗、 作物改良等领域得到广泛的应用, CRISPR-Cas9系统是其中研究最为深入的一种类型. 如何降低Cas9/sgRNA复合物在细胞内作用的脱靶性是CRISPR-Cas9技术发展面临的主要挑战之一. 利用光或活性小分子诱发的小分子化学反应工具构建CRISPR-Cas9功能调控体系, 通过对sgRNA, Cas9或Cas9/sgRNA复合物的功能进行调控, 可以在细胞乃至活体水平上一定程度实现对CRISPR-Cas9作用的时间或空间特异性的操纵, 大大降低非特异性基因编辑作用发生的概率, 同时小分子对原体系的干扰较小, 因此小分子化学反应逐渐成为操纵CRISPR-Cas9体系的一种重要的研究工具. 本文总结和介绍了小分子反应工具用于CRISPR-Cas9功能调控系统构建的主要研究进展, 并对其未来的发展进行了展望.



纳米孔测序技术在核酸修饰检测中的应用

陈佳璐, 黄硕

2023, 44(3):  20220333.  doi:10.7503/cjcu20220333

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DNA和RNA上广泛存在着多种化学修饰. 这些核酸修饰参与基因表达的调控, 影响生长发育等生理过程, 并可能会引发癌症等疾病. 对核酸修饰的精准识别与定位有助于理解其功能机制, 帮助相关疾病的诊断与治疗. 纳米孔测序是一种新兴的单分子测序技术, 可以根据修饰碱基与天然碱基之间阻孔信号的差异实现核酸序列中多种修饰的同时检测, 是目前检测核酸修饰最直接的方法. 本文简要介绍了纳米孔测序技术的发展和原理以及识别核酸修饰的算法工具, 总结了纳米孔测序技术在核酸修饰检测中的应用, 并对其发展前景进行了展望.



DNA编码分子库液相筛选方法的新进展

王盈盈, 李晓敏, 蔡雅慧, 李笑宇, 史兵兵

2023, 44(3):  20220438.  doi:10.7503/cjcu20220438

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目前, DNA编码分子库技术(DNA-encoded library, DEL)已经成为新药研发中不可或缺的重要技术平台. 过去30年DEL技术不断发展成熟, DEL兼容化学反应也发展迅速, 极大地改善了DEL的化学多样性, 并推动了其在药物发现中的应用. 通常, DEL的筛选主要是基于亲和力的固相筛选, 将纯化后的靶点蛋白固载在基质上, 然后通过物理洗脱的方式将结合分子与背景分子分离开来. 近年来, 一系列在液相中进行DEL筛选的新方法被研发出来, 使得适用于DEL筛选的靶点范围被进一步扩大, 揭示了DEL作为有效工具探索基础生物学的潜力. 本文综合评述了DEL技术的液相筛选方法及应用, 并对DEL技术应用于复杂生物靶点以及功能性筛选进行了展望.



植物RNA修饰的功能及分析方法

唐潇萌, 袁必锋, 冯钰锜

2023, 44(3):  20220265.  doi:10.7503/cjcu20220265

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除经典碱基外, RNA中还包含许多化学修饰. 迄今, 已经在生命体的三域系统中鉴定出超过150种RNA修饰类型. 这些RNA修饰不改变RNA的序列, 但会改变其结构和生化特性, 从而调节基因的时空表达. RNA修饰作为表观遗传学研究的一个重要领域, 在调控植物的生长发育和胁迫应激中起到至关重要的作用. 近年来, 随着分析技术, 特别是RNA修饰测序技术的不断进步, 对植物RNA修饰的功能和机制获得了深入的认识. 本文主要介绍了植物RNA修饰的功能, 总结了针对这些植物中RNA修饰的分析方法, 以便为今后系统地开展植物中RNA修饰的研究提供参考.



CRISPR/Cas9基因编辑非病毒递送系统

盛劲菡, 郑琪臻, 汪铭

2023, 44(3):  20220344.  doi:10.7503/cjcu20220344

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规律间隔成簇短回文重复序列及相关蛋白9(CRISPR/Cas9)系统的基因编辑技术为哺乳细胞基因组 的精准修饰与编辑研究提供了高效、 快捷的工具, 但其化学生物学应用依然面临着CRISPR基因编辑工具Cas9蛋白和gRNA的细胞及活体递送等问题. 近年来, 研究人员通过开发多种非病毒递送载体, 实现了编码CRISPR/Cas9基因编辑工具的DNA和信使RNA(mRNA)以及Cas9/gRNA核糖核蛋白(RNP)复合物的递送, 并应用于靶基因的化学修饰与编辑调控. 本文主要概述了近期CRISPR/Cas9基因编辑递送的研究进展, 并对其化学生物学应用前景进行了展望.



N⁴-乙酰胞苷RNA检测技术的研究进展

贺胤铭, 孔素东, 林建国, 谢敏浩, 程靓

2023, 44(3):  20220319.  doi:10.7503/cjcu20220319

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细胞中的mRNA和非编码RNA包含着大量的表观化学修饰. 在这些修饰中, N⁴-乙酰胞苷(ac⁴C)是较为独特的一种, 在真核生物和原核生物的tRNA, rRNA和mRNA中均有发现. 研究表明, ac⁴C RNA可能具有多种生物学功能, 包括调节蛋白的翻译过程、 影响RNA的稳定性及改变RNA-蛋白相互作用等. 但当前对其修饰路径的研究还不成熟, 催化ac⁴C RNA形成的乙酰转移酶目前仅有NAT10被鉴定出来. 不仅如此, 目前对ac⁴C RNA进行检测和测序的技术手段还相当局限. 本文综合评述了ac⁴C RNA的分布以及在基因表达调控中的作用和机制, 重点介绍了ac⁴C RNA的检测技术, 并对ac⁴C RNA当前研究中的不足和机遇进行了总结和展望.



研究论文

外源N⁶-甲基腺嘌呤掺入对细胞mRNA表达的影响

张青一, 曹婕, 舒潇, 刘建钊

2023, 44(3):  20220173.  doi:10.7503/cjcu20220173

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N⁶-甲基腺嘌呤（m⁶A）是一种真核细胞中最广泛存在且可逆的内源mRNA修饰， 它在决定RNA命运中起着至关重要的作用. 本文发现外源m⁶A可以通过补救合成途径掺入到细胞mRNA， 并评估了外源m⁶A掺入mRNA后所产生的生物学效应. 首先， 发现用m⁶A核苷处理HeLa细胞会显著改变细胞的形态和活力; 然后， 合成了同位素标记的d₃-m⁶A(N⁶-甲基-d₃-腺苷)， 并采用质谱法检测了不同处理时间下细胞mRNA中d₃-m⁶A的掺入率; 随后， 使用RNA测序（RNA-seq）研究外源m6A掺入的生物学效应. 结果表明， 掺入外源m⁶A后的细胞有数千个基因产生差异表达， 并且这些差异表达的基因在核糖体生物发生、 mRNA代谢过程和细胞形态发生分化等途径中显著富集. 研究结果表明， 外源m⁶A可以通过代谢途径掺入细胞内源mRNA中， 并可以影响细胞基因表达.



催化RNA切割反应的苏糖核酸酶的表征及在切割microRNA中的应用

孙昕, 高明媚, 张泽, 王海燕, 于涵洋

2023, 44(3):  20220246.  doi:10.7503/cjcu20220246

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对一条催化RNA切割反应的苏糖核酸(TNA)酶6-29进行了系统的生物化学表征， 探究了TNA酶6-29对RNA底物的序列要求， 测定了TNA酶6-29催化反应的酶学常数， 并进一步开发了TNA酶6-29在切割 microRNA中的应用. 研究结果表明， TNA酶6-29能够耐受底物结合臂和切割位点的多种变化， 具有良好的底物序列通用性; TNA酶6-29能够在镁离子和锰离子等多种金属离子的存在下发挥催化活性， 并且能够催化多个底物分子发生切割反应， 具有酶的典型特征. 基于TNA酶6-29良好的普适性， 进一步展示了TNA酶6-29可以切割不同序列microRNA分子. 本文结果表明， 具有催化活性的TNA是一种有潜力的分子工具， 有望进一步应用于疾病诊疗领域.