時(shí)隔三個(gè)月，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心楊輝研究組再次登上了世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊。這一次，這位“85后”研究員帶領(lǐng)著他的團(tuán)隊(duì)，一路披荊斬棘，首次證明了多個(gè)單堿基編輯技術(shù)均存在大量的RNA脫靶，并獲得三種更高精度的單堿基編輯工具，為單堿基編輯技術(shù)進(jìn)入臨床治療提供了重要基礎(chǔ)。
6月11日，《自然》期刊在線發(fā)表了其研究論文，詳細(xì)介紹了這一成果。“這項(xiàng)研究提供了減少RNA（核糖核酸）脫靶的單堿基編輯器，對(duì)基因編輯領(lǐng)域具有重要價(jià)值。”國(guó)際同行如是評(píng)價(jià)。
而在今年3月，楊輝實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)與合作者開發(fā)出的全新檢測(cè)基因編輯工具脫靶技術(shù)相關(guān)研究成果在線發(fā)表在頂級(jí)期刊《科學(xué)》上。
神奇的單堿基編輯技術(shù)
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)事件的發(fā)酵，基因編輯這一曾經(jīng)高高在上的科學(xué)名詞，如今已走進(jìn)公眾視野。
“基因編輯技術(shù)若使用得當(dāng)，是能造福人類的。”楊輝舉例，利用這一技術(shù)，我們可以改良植物性狀，使得蔬菜保質(zhì)期更長(zhǎng)、口感更好；可以通過相關(guān)DNA復(fù)活滅絕物種，這些都并非遙不可及。
↑資料圖，圖文無關(guān)。
當(dāng)然，對(duì)基因編輯技術(shù)來說，更關(guān)鍵的是可以治療一些惡性疾病。脊髓性肌營(yíng)養(yǎng)不良、地中海貧血、血友病、視網(wǎng)膜黃斑變性、遺傳性耳聾……
根據(jù)楊輝提供的數(shù)據(jù)，全球有3億罕見病患者，兒童占了一半。這7000多種罕見病90%無藥可治，猶如懸在頭頂上的一把達(dá)摩克利斯之劍，時(shí)時(shí)困擾著人類。
單堿基編輯技術(shù)的出現(xiàn)，猶如黎明前的一道曙光，讓科學(xué)家和患者們看到了希望。“80%的罕見病是單基因遺傳病。理論上，通過單堿基編輯技術(shù)可以修復(fù)百分之五十以上的單基因遺傳病。”論文第一作者、中科院神經(jīng)所博士研究生周昌陽(yáng)稱。
不過現(xiàn)實(shí)是，因?yàn)榘踩砸恢睙o法確定，迄今為止僅有兩三種基因編輯技術(shù)進(jìn)入了臨床試驗(yàn)階段。橫亙?cè)诤币姴』颊呙媲暗氖且蛔床灰姷母呱健?/p>
基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段。人類的DNA由31億多個(gè)堿基對(duì)組成，這些數(shù)量龐大的堿基對(duì)則由ATCG 4種堿基有機(jī)地排列組合而成。所謂基因編輯，即對(duì)基因組中的特定DNA片段進(jìn)行敲除、加入、替換等。
2012年，憑借成本低廉、操作方便、效率高等優(yōu)勢(shì)，第三代基因編輯工具CRISPR/Cas9迅速在科學(xué)界風(fēng)靡。
在CRISPR/Cas9基礎(chǔ)上，后來又衍生出了第四代基因編輯技術(shù)——單堿基編輯技術(shù)：一類是CBE，即可以將DNA四種核苷酸的中的C突變成T或者G突變成A的一類編輯器，第二類是ABE，即可以將T突變成C或者A突變成G的編輯器。
“基因編輯工具CRISPR/Cas9相當(dāng)于一個(gè)加了GPS的剪刀。”隨著研究的深入，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在針對(duì)很多疾病進(jìn)行修復(fù)的過程中，因?yàn)镃RISPR/Cas9首先需要切斷DNA雙鏈，再利用細(xì)胞自身的修復(fù)來進(jìn)行精確的修復(fù)，但是往往切斷了DNA雙鏈之后只有一部分細(xì)胞會(huì)通過精確的同源重組來修復(fù)，另外一部分則會(huì)被隨機(jī)修復(fù)。
而隨機(jī)修復(fù)往往會(huì)引起其他的突變，這就限制了CRISPR/Cas9技術(shù)在疾病中治療的應(yīng)用。“如果將CRISPR/Cas9及其衍生工具用于臨床的話，脫靶效應(yīng)可能會(huì)引起包括癌癥在內(nèi)的多種副作用。”楊輝說。
與CRISPR/Cas9相比，單堿基編輯技術(shù)可以更精細(xì)地修改DNA。“單堿基編輯技術(shù)在不需要切斷DNA雙鏈的情況下就能精確的實(shí)現(xiàn)DNA的定向突變，可以應(yīng)用到大多數(shù)單基因遺傳病中。”周昌陽(yáng)表示。
無處不在的脫靶風(fēng)險(xiǎn)
我們知道，在某些極端情況下，一個(gè)堿基的變化都可能導(dǎo)致某些基因功能的改變或者缺失，進(jìn)而引發(fā)疾病。而人類接近50%的單基因遺傳病，是由一個(gè)堿基變化導(dǎo)致。能否把這個(gè)特定的堿基安全有效修復(fù)，這正是基因編輯工具肩負(fù)的一個(gè)重要使命。
“無論哪一種基因編輯工具，編輯效率和特異性一直是衡量其好壞的兩個(gè)關(guān)鍵因素。”周昌陽(yáng)說，基因編輯技術(shù)的開發(fā)難點(diǎn)在于既要能保證很高的目的位點(diǎn)編輯效率，又要能保證基因編輯工具的特異性，換句話說，我們的基因編輯工具只能編輯目的位點(diǎn)，不能編輯到其他不想編輯的位點(diǎn)。
理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。隨著研究的深入，單堿基編輯這一自CRISPR/Cas9技術(shù)誕生以來被科學(xué)界寄予厚望的高精度基因編輯技術(shù)，也于今年初被證實(shí)難逃脫靶風(fēng)險(xiǎn)。
今年初，楊輝團(tuán)隊(duì)建立起名為GOTI的新型脫靶檢測(cè)技術(shù)，通過精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，原以為安全的CBE單堿基基因編輯技術(shù)存在DNA脫靶，其脫靶的概率相當(dāng)于自然遺傳突變的20倍。這意味著什么？“如果脫靶發(fā)生到了癌基因和抑癌基因上，將會(huì)導(dǎo)致一定的致癌風(fēng)險(xiǎn)。”周昌陽(yáng)解釋。
而得益于這一發(fā)現(xiàn)，隨后有兩家公司正在推向臨床的兩個(gè)基因藥物項(xiàng)目及時(shí)叫停了。
探索的腳步?jīng)]有就此停下。此前，科學(xué)家們對(duì)于單堿基編輯技術(shù)脫靶問題的研究一直專注在DNA水平，在RNA水平上是否也存在脫靶風(fēng)險(xiǎn)呢？瞄準(zhǔn)新目標(biāo)，楊輝團(tuán)隊(duì)開始了又一輪的深入研究。
更精準(zhǔn)的新一代編輯工具
時(shí)光不負(fù)情深。研究團(tuán)隊(duì)此次將單堿基編輯技術(shù)脫靶檢測(cè)范圍擴(kuò)展到了RNA水平，首次證明常用的三種單堿基編輯技術(shù)BE3、BE3-hA3A和ABE7.10均存在大量的RNA脫靶，并且發(fā)現(xiàn)ABE7.10高頻率地發(fā)生在癌基因和抑癌基因上，具有較強(qiáng)的致癌風(fēng)險(xiǎn)。
“在之前的研究報(bào)道中，CBE單堿基編輯技術(shù)存在全基因組范圍內(nèi)的DNA水平隨機(jī)的脫靶，ABE單堿基編輯技術(shù)未檢測(cè)到DNA水平的脫靶，我們的研究發(fā)現(xiàn)CBE和ABE均存在RNA水平的脫靶。”周昌陽(yáng)告訴記者，這提示了該領(lǐng)域不僅需要關(guān)心基因編輯工具的DNA水平的脫靶檢查，同時(shí)還需要關(guān)心RNA水平的脫靶檢查。
“我們的初衷都是希望能夠開發(fā)出來高編輯效率高特異性的基因編輯工具，應(yīng)用到疾病的治療中去。”周昌陽(yáng)說。
事實(shí)證明，RNA脫靶確實(shí)存在于單堿基編輯器上，可是具體由哪一個(gè)部分引起的RNA脫靶呢？
研究團(tuán)隊(duì)通過精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)存在于單堿基編輯器中的脫氨酶是“罪魁禍?zhǔn)住保⒎謩e對(duì)CBE單堿基基因編輯技術(shù)的胞嘧啶脫氨酶和ABE單堿基基因編輯技術(shù)的腺嘌呤脫氨酶進(jìn)行了突變優(yōu)化，將兩種脫氨酶的RNA結(jié)合活性失活掉，使得其不能結(jié)合到RNA上，最終獲得能夠完全消除RNA脫靶并且維持DNA編輯活性的高保真單堿基編輯工具。
不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新一代的ABE單堿基編輯工具還能夠縮小編輯窗口，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的DNA編輯。該技術(shù)在特異性和精確性上超越了單堿基編輯器ABE7.10，有望在未來成為一種更加安全、更加精準(zhǔn)的基因編輯工具，應(yīng)用于臨床治療中。
周昌陽(yáng)告訴記者，下一步研究團(tuán)隊(duì)將努力開發(fā)出既沒有DNA也沒有RNA脫靶的編輯工具，今后如何使得基因編輯工具變得更小，更加方便導(dǎo)入到病人的細(xì)胞中進(jìn)行疾病的治療，也是未來研究的一個(gè)重要方向。
眼下，研究團(tuán)隊(duì)已開始嘗試以小鼠和猴為模型，用基因編輯研究治療罕見病。
來源：經(jīng)點(diǎn)科學(xué)微信公眾號(hào)
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