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            這支新“鉛筆” 刪改基因更精準

            2019-05-21 08:12:20 來源: 科技日報 作者: 謝開飛

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            解碼基因編輯

            在DNA長長的鏈條上,想要精準打擊致病的“敵人”,采用譽為“基因剪刀”的CRISPR/Cas基因編輯技術,在剪斷“敵人”的同時,也可能會隨機帶走若干個健康片段,稱之為“脫靶效應”;但利用比作“鉛筆”的CRISPR堿基編輯器可以相對準確地將目標片段“修改”成想要的樣子。

            然而,這支“鉛筆”也有可能“張冠李戴”,將原有的片段換成其他片段。日前,哈佛大學麻省總醫院的一個研究小組報告指出,近年來開發的幾種CRISPR堿基編輯器會導致靶標DNA以外的RNA大范圍脫靶。同時該研究小組還研發了一種工程化新堿基編輯器,能顯著降低RNA編輯的發生率,提高靶標DNA編輯的精確度。這一研究成果發表在國際權威雜志《自然》上。

            從30億個“文字”中找到“錯字”修改

            人類遺傳疾病的治療一直是生物醫學的難點。迄今為止,很多類型的遺傳疾病依然沒有可行的治療方法;對于少數種類遺傳疾病。

            “如果把人類基因組DNA全序列比成一本書,這本書約有30億個字,每個‘堿基’就像這本書中的一個字。”廈門大學藥學院劉文博士介紹說,目前,已知的人類單基因遺傳疾病約7000種,其中大多是單堿基突變引起的。

            是否有更好的治療策略呢?“對單個錯誤堿基的糾正就有可能治愈這些單基因遺傳疾病,因此科學家希望找到一種可以對單個堿基進行準確靶向修改的分子工具。”劉文說,但這是難度極大的,就像是從30億個文字中準確快速地找到這個字并進行修改。

            “正是由于這種精確的靶向功能,CRISPR/Cas9系統被開發成高效的基因編輯工具。”廈門大學生命科學學院袁晶教授告訴記者,CRISPR/Cas9系統像是一把可以準確剪開雙鏈DNA的“剪刀”,已在許多物種中實現了高效的基因敲除,在生物醫學研究中發揮了革命性的作用。但同時它也會造成雙鏈DNA的斷裂,從而引入潛在的隨機插入和缺失的突變風險,也就是DNA脫靶效應。

            2017年,哈佛大學劉如謙課題組發表在《自然》雜志的研究,首次創新性地基于CRISPR/Cas9系統,開發出第一代堿基編輯器BE1。研究者進一步運用這套系統在體外細胞中對阿爾茨海默病致病基因APOE4和癌癥致病基因TP53的核苷酸進行了精確替換,驗證了技術的可行性。

            “CRISPR堿基編輯器,更像是一支可以修改單堿基的‘鉛筆’,不會造成雙鏈DNA的斷裂,理論上可對數百種引起人類疾病的基因組單堿基突變進行定點矯正,從而規避了潛在的風險,在臨床醫學研究以及作物育種等領域具有巨大的應用潛力和重要的應用價值。”福建農林大學基因組與生物技術研究中心常務副主任張積森教授說。

            RNA水平的脫靶效應也亟須關注

            科學技術有時候也是一把“雙刃劍”,堿基編輯器預料之外的脫靶效應也不容忽視。劉文認為,就像是本來要修改第一頁的錯字,但是由于脫靶效應導致第三頁的一個正確的字被修改了,這種脫靶突變可能會導致潛在疾病的發生。

            “自單堿基編輯器問世以來,大多數關于脫靶基因編輯的調查都集中在DNA上,但我們發現這種技術也可以誘導大量的RNA改變。”文章通訊作者、哈佛大學麻省總醫院病理學系基思博士說。

            起初,基思博士猜想,融合大鼠胞嘧啶核甘脫氨酶rAPOBEC1的堿基編輯器作為“鉛筆”,在細胞中涂改DNA分子的目標核苷酸堿基的同時,也有可能會對RNA分子上的特定核苷酸位點涂改。如果這種可能性屬實,細胞中不同基因的大量mRNA分子,都可能被堿基編輯器修飾,從而導致脫靶RNA效應。

            他們的實驗證實了猜想。中國科學院任沖博士告訴科技日報記者,研究人員對廣泛應用的CBE堿基編輯器以及近來研發的ABE堿基編輯器都進行了RNA脫靶效應分析,發現這兩種編輯器都會在RNA水平引起大范圍的堿基編輯,這說明堿基編輯器不僅擁有DNA水平的編輯活性,同時也有RNA水平的編輯活性,而RNA水平的編輯現象往往在研究中容易被忽略。

            “現有的堿基編輯器,普遍存在對RNA分子的脫靶效應,對于它的臨床應用具有很大的風險,在未來的醫學臨床應用中,我們需要它實現既要精準打擊敵人,又不能傷及無辜。”中國科學院梁振昌研究員說,現階段,全球科學家在持續努力,不斷提升基因編輯技術的基因修飾效率和精準性,減少脫靶。

            篩選出更為精準的新“鉛筆”

            第一代單堿基編輯器BE1問世后,領域內大多數科學家專注于兩個方面的改進:第一是提高堿基編輯器的單堿基替換活性,使得這支“鉛筆”使用起來效率更高;第二是提高堿基編輯器修飾DNA分子的位點特異性,最大程度減少DNA脫靶發生,確保“鉛筆”只在DNA需要的目的堿基進行涂改。“這兩個方面的改進,對于臨床應用至關重要。”袁晶說。

            發現堿基編輯器普遍存在RNA脫靶的缺陷后,基思博士團隊對原有CBE堿基編輯器進行了重新設計,從16種突變蛋白中篩選得到了2個改良的“新鉛筆”——堿基編輯器“BE3-R33A”和“BE3-R33A/K34A”。與原始的CBE編輯器相比,改良后的堿基編輯器具有同等的DNA編輯活性,但RNA水平的編輯頻率至少分別降低了390倍和3800倍。“構建、篩選有利的(低RNA脫靶效應)堿基編輯器,是目前減少脫靶效應的有效方式。”梁振昌介紹說。

            任何技術在它的起步階段,都不是完美的。“最新的這項研究讓我們認識到了堿基編輯器存在的不足,也提醒研究人員在未來的研究中需要更加全面地了解該技術以及任何新技術的優點和缺陷”張積森說。

            袁晶認為,對待人類遺傳疾病的治療,如果說藥物治療起到的是治標,那么通過基因編輯技術特別是堿基編輯器,將遺傳疾病患者致病的錯誤遺傳信息,從根本上矯正過來,可以起到治本的目的。這條道路蘊含希望,但是必定漫長且充滿艱難曲折。

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            責任編輯:范琪
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