“超級編輯器”可精准編輯單個鹼基

“基因超級編輯器”能為遺傳病研究構建疾病模型和基因治療提供有效工具。經過兩年多的攻關，華東師范大學生命科學學院李大力課題組研發出系列超高活性胞嘧啶鹼基編輯器（hyCBE）。這一系列新的基因編輯技術針對鹼基突變引起的遺傳疾病，展示出基因治療的巨大潛力。相關研究成果近日發表在《自然·細胞生物學》雜志上。

美國國立衛生院公開數據庫ClinVar顯示，58%的人類遺傳病是由於單個鹼基突變引起的。是否有新的策略可以提高編輯活性又能擴增靶向鹼基的范圍，一直是鹼基編輯器優化的難點。

“這一組鹼基編輯系列新工具，在實現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准性。”李大力說。

新編輯器精確性顯著提高

由於胞嘧啶鹼基編輯器（CBE）主要是以單鏈DNA為底物，因此研究團隊猜測，如果增強脫氨酶與單鏈DNA的結合能力，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結合結構域融合到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）鹼基模塊中的胞嘧啶而不引起其他胞嘧啶發生突變的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。”李大力說，“通過胚胎顯微注射，能在胚胎中精確改變單個鹼基，直接獲得杜氏肌營養不良（DMD）小鼠模型，平均效率提高了近60倍。”

除了能快速精確構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出顯著優勢，可讓單個鹼基發生突變，體外實驗証明有更好的治療效果。一系列嚴格的實驗表明，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，証明了新編輯工具用於基因治療的巨大潛力。

在同期發布的期刊評論中，美國威爾康奈爾醫學院癌症生物學家指出：“這項超級編輯器為疾病建模和基因治療提供了有效工具。”評論認為，李大力團隊的研究豐富了CBE的工具箱，擴展了其應用范圍，並証明了這些新工具更高效率和更寬范圍的鹼基突變能力。

評論文章表示，新型超級編輯器除了可應用於動物模型構建和疾病治療，還可以幫助提高CBE工具技術性改造的認知以及發現提高編輯效率的決定性因素，這將為新工具研發提供合理性設計指導，進一步推動基礎研究和臨床轉化的發展進程。

基因治療“利器”被寄予厚望

近年來，歐美已陸續批准了治療腺苷脫氨酶（ADA）缺乏性重度聯合免疫缺陷症、脊髓性肌萎縮症、β地中海貧血和萊伯氏先天性黑蒙症等遺傳病的基因治療藥物。由於技術限制，已上市的藥物存在不能長期有效或者誘發腫瘤的風險，因此科學家們不斷開發新的基因改造技術，期望能夠克服現有技術的不足，實現一次治療終身治愈。

以CRISPR/Cas9系統為代表的基因編輯技術是近年來最為火熱的分子生物學技術之一。李大力課題組於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，將基因修飾動物構建的時間由傳統方法的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建所面臨的難題。隨后他們利用CRISPR/Cas9技術修復了動物模型中的單個鹼基突變，治愈了B型血友病，証明其在遺傳疾病治療中的潛力。然而，CRISPR/Cas9技術精確修復鹼基突變的效率非常低，隻有1%左右，很難在更多的疾病治療中推廣。

2016年美國科學家開發的CBE技術，能在不產生DNA雙鏈斷裂的前提下，直接將目的片段一定范圍內的胞嘧啶轉化成胸腺嘧啶，實現C/G鹼基對向T/A鹼基對的轉換。今年年初，華東師范大學團隊發表論文，成功地利用CBE技術建立了人類造血干細胞單鹼基編輯技術體系，証明CBE有治療β地中海貧血的潛力，但存在編輯效率偏低、精准度有限等阻礙臨床應用的問題。

“我們研發的超高活性鹼基編輯技術基本解決了上述問題，有望成為遺傳病治療的首選鹼基編輯器。”李大力說。（ 嚴姮倩 本報記者 王 春）