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,會導致 RNA 突變。這顛覆了科學界原來的認識,即單堿基基因編輯的編輯效果更為精準,在應用過程中也更為安全。
該研究結果一發(fā)表,立即在生物科研領域引起軒然大波,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,這給這一技術的進一步應用帶來一定的障礙。
近幾年,關于基因編輯的研究與應用在幾乎所有生物醫(yī)學領域飛速發(fā)展。基因編輯是一組技術,使科學家能夠改變生物體的 DNA。這些技術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)則間隔短回文重復序列和 CRISPR 相關蛋白 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 存在脫靶風險,即在導入 CRISPR-Cas9 后會導致非目標區(qū)基因的改變,由于這一技術是直接修改生物基因組,因此其具有難以消除的遺傳效應,脫靶效應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 Broad 研究所的劉如謙(David R. Liu )教授團隊改造了 CRISPR-Cas9 技術,研發(fā)出首個可編輯 DNA 單個堿基的基因編輯技術 CBE(Cytosine Base Editor),可以將 C-G 堿基對轉變成 T-A 堿基對。不久,該團隊獲得可將 A-T 堿基對轉變成 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,其導致的脫靶風險也會更低,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)院的病理學家和分子生物學家 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。
隨之而來的結果令研究人員大吃一驚,單堿基基因編輯的關鍵酶——脫氨酶會改變靶細胞內(nèi)的 RNA,將其胞嘧啶(cytosines)轉變成尿嘧啶(uracil),從而導致蛋白質(zhì)編碼和非編碼序列的突變,而且整個導致的 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,J.Keith Joung 教授的團隊通過優(yōu)化兩種單堿基編輯的關鍵酶,大大減少了 RNA 脫靶效應,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)才能更加安全地應用于基礎研究和臨床治療當中。
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