單堿基基因編輯存在脫靶效應(yīng)，會導(dǎo)致RNA突變

近期發(fā)表在 Nature 雜志上的一篇研究報道顯示，單堿基基因編輯存在脫靶效應(yīng)，會導(dǎo)致 RNA 突變。這顛覆了科學(xué)界原來的認識，即單堿基基因編輯的編輯效果更為精準，在應(yīng)用過程中也更為安全。

該研究結(jié)果一發(fā)表，立即在生物科研領(lǐng)域引起軒然大波，研究者不得不重新考慮單堿基基因編輯系統(tǒng)的安全性問題，這給這一技術(shù)的進一步應(yīng)用帶來一定的障礙。

近幾年，關(guān)于基因編輯的研究與應(yīng)用在幾乎所有生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域飛速發(fā)展?；蚓庉嬍且唤M技術(shù)，使科學(xué)家能夠改變生物體的 DNA。這些技術(shù)允許在基因組中的特定位置添加，去除或改變遺傳物質(zhì)。目前，研究人員已經(jīng)開發(fā)了幾種基因組編輯方法。

CRISPR-Cas9 基因編輯系統(tǒng)是其中最火的工具。它包含聚集的規(guī)則間隔短回文重復(fù)序列和 CRISPR 相關(guān)蛋白 9。這一系統(tǒng)在細菌體內(nèi)被首次發(fā)現(xiàn)，是細菌抵抗噬菌體的“防御武器”。

這一系統(tǒng)的工作原理可以簡單概括為 Cas9 這個酶在 gDNA 的引導(dǎo)下對目標基因進行敲除、添加等編輯操作。

另外，這一系統(tǒng)是針對 DNA 雙鏈多堿基進行編輯的。但是，隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn) CRISPR-Cas9 存在脫靶風(fēng)險，即在導(dǎo)入 CRISPR-Cas9 后會導(dǎo)致非目標區(qū)基因的改變，由于這一技術(shù)是直接修改生物基因組，因此其具有難以消除的遺傳效應(yīng)，脫靶效應(yīng)存在潛在的巨大害處。

圖丨CRISPR-Cas9 基因編輯系統(tǒng)（來源：bing）

2016 年，來自哈佛大學(xué) Broad 研究所的劉如謙（David R. Liu ）教授團隊改造了 CRISPR-Cas9 技術(shù)，研發(fā)出首個可編輯 DNA 單個堿基的基因編輯技術(shù) CBE（Cytosine Base Editor），可以將 C-G 堿基對轉(zhuǎn)變成 T-A 堿基對。不久，該團隊獲得可將 A-T 堿基對轉(zhuǎn)變成 G-C 堿基對的堿基編輯器 ABE（Adenine Base Editor）。顧名思義，單堿基基因編輯系統(tǒng)是對單個目標堿基進行識別和編輯，這套系統(tǒng)可以從根本上治療很多單堿基變異疾病。

圖丨單堿基基因編輯示意圖（來源：bing）

從理論上說，由于單堿基基因編輯的識別窗很窄，其導(dǎo)致的脫靶風(fēng)險也會更低，同時，單個堿基發(fā)生突變所帶來的影響也要遠小于普通 CRISPR-Cas9 基因編輯系統(tǒng)所帶來影響。

現(xiàn)在，這一認識被一項新研究打破了。

自麻省總醫(yī)院的病理學(xué)家和分子生物學(xué)家 J. Keith Joung 及其團隊篩選了常見的單堿基編輯系統(tǒng)，并在人類肝臟和腎臟細胞中對這些系統(tǒng)進行了檢測和分析。

隨之而來的結(jié)果令研究人員大吃一驚，單堿基基因編輯的關(guān)鍵酶——脫氨酶會改變靶細胞內(nèi)的 RNA，將其胞嘧啶（cytosines）轉(zhuǎn)變成尿嘧啶（uracil），從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)編碼和非編碼序列的突變，而且整個導(dǎo)致的 RNA 突變量巨大，這些突變的 RNA 會嚴重影響其下游蛋白質(zhì)的翻譯與修飾。

圖丨脫氨酶的已知活性與未知活性（來源：Transcriptome-wide off-target RNA editing induced by CRISPR-guided DNA base editors）

為了解決單堿基基因編輯的脫靶效應(yīng)，J.Keith Joung 教授的團隊通過優(yōu)化兩種單堿基編輯的關(guān)鍵酶，大大減少了 RNA 脫靶效應(yīng)，將 RNA 變異率減少 390 倍和 3800 倍，同時，這些改良酶可以更精準地實現(xiàn) DNA 編輯。

J.Keith Joung 教授表示，他們的發(fā)現(xiàn)并不是給單堿基基因編輯潑冷水，而是希望借此機會推動 CRISPR 的進一步完善。只有這樣，單堿基基因編輯系統(tǒng)才能更加安全地應(yīng)用于基礎(chǔ)研究和臨床治療當(dāng)中。