超级编辑器”可精准编辑单个碱基 精确性显著提高

来源:科技日报 2020-06-09 10:15:34

“基因超级编辑器”能为遗传病研究构建疾病模型和基因治疗提供有效工具。经过两年多的攻关,华东师范大学生命科学学院李大力课题组研发出系列超高活性胞嘧啶碱基编辑器(hyCBE)。这一系列新的基因编辑技术针对碱基突变引起的遗传疾病,展示出基因治疗的巨大潜力。相关研究成果近日发表在《自然·细胞生物学》杂志上。

美国国立卫生院公开数据库ClinVar显示,58%的人类遗传病是由于单个碱基突变引起的。是否有新的策略可以提高编辑活性又能扩增靶向碱基的范围,一直是碱基编辑器优化的难点。

“这一组碱基编辑系列新工具,在实现更高编辑效率和更宽编辑窗口的同时,仍然保持了其基因编辑精准性。”李大力说。

新编辑器精确性显著提高

由于胞嘧啶碱基编辑器(CBE)主要是以单链DNA为底物,因此研究团队猜测,如果增强脱氨酶与单链DNA的结合能力,或许能够通过延长脱氨酶的作用时间来增强其基因编辑活性。

该研究将Rad51蛋白的单链DNA结合结构域融合到Cas9与脱氨酶之间,极大地提高了CBE的编辑活性,拓宽了编辑窗口,因此将其命名为超高活性CBE(hyCBE4max);类似地还改造出具有更宽编辑窗口和更高活性的hyA3A-CBE4max,以及能更高效识别胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)碱基模块中的胞嘧啶而不引起其他胞嘧啶发生突变的hyeA3A-CBE4max。

“以hyeA3A-CBE4max为例,在所检测的靶点中,特定位点的编辑活性最大可提高257倍。”李大力说,“通过胚胎显微注射,能在胚胎中精确改变单个碱基,直接获得杜氏肌营养不良(DMD)小鼠模型,平均效率提高了近60倍。”

除了能快速精确构建遗传疾病动物模型,hyeA3A-CBE4max在β地中海贫血的治疗中也展现出显著优势,可让单个碱基发生突变,体外实验证明有更好的治疗效果。一系列严格的实验表明,这一新编辑器具有非常高的精确性,没有检测到明显的DNA和RNA脱靶,证明了新编辑工具用于基因治疗的巨大潜力。

在同期发布的期刊评论中,美国威尔康奈尔医学院癌症生物学家指出:“这项超级编辑器为疾病建模和基因治疗提供了有效工具。”评论认为,李大力团队的研究丰富了CBE的工具箱,扩展了其应用范围,并证明了这些新工具更高效率和更宽范围的碱基突变能力。

评论文章表示,新型超级编辑器除了可应用于动物模型构建和疾病治疗,还可以帮助提高CBE工具技术性改造的认知以及发现提高编辑效率的决定性因素,这将为新工具研发提供合理性设计指导,进一步推动基础研究和临床转化的发展进程。

基因治疗“利器”被寄予厚望

近年来,欧美已陆续批准了治疗腺苷脱氨酶(ADA)缺乏性重度联合免疫缺陷症、脊髓性肌萎缩症、β地中海贫血和莱伯氏先天性黑蒙症等遗传病的基因治疗药物。由于技术限制,已上市的药物存在不能长期有效或者诱发肿瘤的风险,因此科学家们不断开发新的基因改造技术,期望能够克服现有技术的不足,实现一次治疗终身治愈。

以CRISPR/Cas9系统为代表的基因编辑技术是近年来最为火热的分子生物学技术之一。李大力课题组于2013年在国际上率先建立了大鼠和小鼠胚胎的CRISPR/Cas9基因编辑技术,将基因修饰动物构建的时间由传统方法的18个月缩短到5周左右,解决了基因治疗研究中必不可少的疾病模型构建所面临的难题。随后他们利用CRISPR/Cas9技术修复了动物模型中的单个碱基突变,治愈了B型血友病,证明其在遗传疾病治疗中的潜力。然而,CRISPR/Cas9技术精确修复碱基突变的效率非常低,只有1%左右,很难在更多的疾病治疗中推广。

2016年美国科学家开发的CBE技术,能在不产生DNA双链断裂的前提下,直接将目的片段一定范围内的胞嘧啶转化成胸腺嘧啶,实现C/G碱基对向T/A碱基对的转换。今年年初,华东师范大学团队发表论文,成功地利用CBE技术建立了人类造血干细胞单碱基编辑技术体系,证明CBE有治疗β地中海贫血的潜力,但存在编辑效率偏低、精准度有限等阻碍临床应用的问题。

“我们研发的超高活性碱基编辑技术基本解决了上述问题,有望成为遗传病治疗的首选碱基编辑器。”李大力说。(严姮倩 本报记者 王 春)

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