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“基因超級編輯器”能為遺傳病研究構(gòu)建疾病模型和基因治療提供有效工具。經(jīng)過兩年多的攻關(guān)，華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李大力課題組研發(fā)出系列超高活性胞嘧啶堿基編輯器（hyCBE）。這一系列新的基因編輯技術(shù)針對堿基突變引起的遺傳疾病，展示出基因治療的巨大潛力。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在《自然·細(xì)胞生物學(xué)》雜志上。
美國國立衛(wèi)生院公開數(shù)據(jù)庫ClinVar顯示，58%的人類遺傳病是由于單個堿基突變引起的。是否有新的策略可以提高編輯活性又能擴(kuò)增靶向堿基的范圍，一直是堿基編輯器優(yōu)化的難點。
“這一組堿基編輯系列新工具，在實現(xiàn)更高編輯效率和更寬編輯窗口的同時，仍然保持了其基因編輯精準(zhǔn)性?！崩畲罅φf。
新編輯器精確性顯著提高
由于胞嘧啶堿基編輯器（CBE）主要是以單鏈DNA為底物，因此研究團(tuán)隊猜測，如果增強脫氨酶與單鏈DNA的結(jié)合能力，或許能夠通過延長脫氨酶的作用時間來增強其基因編輯活性。
該研究將Rad51蛋白的單鏈DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域融合到Cas9與脫氨酶之間，極大地提高了CBE的編輯活性，拓寬了編輯窗口，因此將其命名為超高活性CBE（hyCBE4max）；類似地還改造出具有更寬編輯窗口和更高活性的hyA3A-CBE4max，以及能更高效識別胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）堿基模塊中的胞嘧啶而不引起其他胞嘧啶發(fā)生突變的hyeA3A-CBE4max。
“以hyeA3A-CBE4max為例，在所檢測的靶點中，特定位點的編輯活性最大可提高257倍?！崩畲罅φf，“通過胚胎顯微注射，能在胚胎中精確改變單個堿基，直接獲得杜氏肌營養(yǎng)不良（DMD）小鼠模型，平均效率提高了近60倍?！?/p>
除了能快速精確構(gòu)建遺傳疾病動物模型，hyeA3A-CBE4max在β地中海貧血的治療中也展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，可讓單個堿基發(fā)生突變，體外實驗證明有更好的治療效果。一系列嚴(yán)格的實驗表明，這一新編輯器具有非常高的精確性，沒有檢測到明顯的DNA和RNA脫靶，證明了新編輯工具用于基因治療的巨大潛力。
在同期發(fā)布的期刊評論中，美國威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院癌癥生物學(xué)家指出：“這項超級編輯器為疾病建模和基因治療提供了有效工具?！痹u論認(rèn)為，李大力團(tuán)隊的研究豐富了CBE的工具箱，擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍，并證明了這些新工具更高效率和更寬范圍的堿基突變能力。
評論文章表示，新型超級編輯器除了可應(yīng)用于動物模型構(gòu)建和疾病治療，還可以幫助提高CBE工具技術(shù)性改造的認(rèn)知以及發(fā)現(xiàn)提高編輯效率的決定性因素，這將為新工具研發(fā)提供合理性設(shè)計指導(dǎo)，進(jìn)一步推動基礎(chǔ)研究和臨床轉(zhuǎn)化的發(fā)展進(jìn)程。
基因治療“利器”被寄予厚望
近年來，歐美已陸續(xù)批準(zhǔn)了治療腺苷脫氨酶（ADA）缺乏性重度聯(lián)合免疫缺陷癥、脊髓性肌萎縮癥、β地中海貧血和萊伯氏先天性黑蒙癥等遺傳病的基因治療藥物。由于技術(shù)限制，已上市的藥物存在不能長期有效或者誘發(fā)腫瘤的風(fēng)險，因此科學(xué)家們不斷開發(fā)新的基因改造技術(shù)，期望能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)一次治療終身治愈。
以CRISPR/Cas9系統(tǒng)為代表的基因編輯技術(shù)是近年來最為火熱的分子生物學(xué)技術(shù)之一。李大力課題組于2013年在國際上率先建立了大鼠和小鼠胚胎的CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，將基因修飾動物構(gòu)建的時間由傳統(tǒng)方法的18個月縮短到5周左右，解決了基因治療研究中必不可少的疾病模型構(gòu)建所面臨的難題。隨后他們利用CRISPR/Cas9技術(shù)修復(fù)了動物模型中的單個堿基突變，治愈了B型血友病，證明其在遺傳疾病治療中的潛力。然而，CRISPR/Cas9技術(shù)精確修復(fù)堿基突變的效率非常低，只有1%左右，很難在更多的疾病治療中推廣。
2016年美國科學(xué)家開發(fā)的CBE技術(shù)，能在不產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂的前提下，直接將目的片段一定范圍內(nèi)的胞嘧啶轉(zhuǎn)化成胸腺嘧啶，實現(xiàn)C/G堿基對向T/A堿基對的轉(zhuǎn)換。今年年初，華東師范大學(xué)團(tuán)隊發(fā)表論文，成功地利用CBE技術(shù)建立了人類造血干細(xì)胞單堿基編輯技術(shù)體系，證明CBE有治療β地中海貧血的潛力，但存在編輯效率偏低、精準(zhǔn)度有限等阻礙臨床應(yīng)用的問題。
“我們研發(fā)的超高活性堿基編輯技術(shù)基本解決了上述問題，有望成為遺傳病治療的首選堿基編輯器?！崩畲罅φf?！?嚴(yán)姮倩 記者 王春)
