“堿基編輯器”是通過替換基因中的堿基對(duì)，改變生物的基因結(jié)構(gòu)。關(guān)于該項(xiàng)技術(shù)是否能夠應(yīng)用于醫(yī)藥治療的討論一直在進(jìn)行中，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展也是很多人關(guān)心的問題。

　　堿基編輯器的介紹

　　基因是脫氧核糖核酸(DNA)上的片段，而DNA雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)由4種化學(xué)堿基組成，即腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)，其中鳥嘌呤和胞嘧啶配對(duì)，腺嘌呤和胸腺嘧啶配對(duì)。 新型堿基編輯器，它可以在不斷開DNA雙鏈的情況下，將A·T堿基對(duì)轉(zhuǎn)換成G·C堿基對(duì)，也就是說能實(shí)現(xiàn)高效、可選擇性地在基因中替換堿基。 在所有已知的疾病相關(guān)單堿基對(duì)突變中，約有一半涉及野生型G·C堿基對(duì)轉(zhuǎn)換成突變型A·T堿基對(duì)，新發(fā)明的堿基編輯器有可能幫助患者恢復(fù)這一類突變。 據(jù)介紹，這種堿基編輯器對(duì)細(xì)菌細(xì)胞和人類細(xì)胞的DNA均有效，在人類細(xì)胞中，它們能在大范圍目標(biāo)區(qū)域內(nèi)引入預(yù)期突變，效率約為50%，高于任何其他基因組編輯方法的效率，而且?guī)缀鯖]有副作用。

　　堿基編輯器的遺傳病治療實(shí)驗(yàn)

　　新生兒的父母可能都了解一種稱為苯丙酮尿癥(phenylketonuria)的代謝障礙。過量的苯丙氨酸會(huì)遲滯精神和運(yùn)動(dòng)發(fā)育。如果這種遺傳疾病不及時(shí)加以治療的話，兒童可能會(huì)遭受嚴(yán)重的精神殘疾。這種代謝障礙的病因是編碼苯丙氨酸羥化酶(phenylalanine hydroxylase, Pah)的基因發(fā)生突變。這種由肝細(xì)胞產(chǎn)生的酶代謝苯丙氨酸。這種代謝障礙是一種“常染色體隱性”遺傳疾病：兒童如果從母親那里遺傳一個(gè)突變基因拷貝和從父親那里遺傳一個(gè)突變基因拷貝，那么就會(huì)患上這種疾病。到目前為止，這種疾病仍然是無法治愈的。

　　在一項(xiàng)新的研究中，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和蘇黎世大學(xué)的研究人員利用一種方法糾正肝細(xì)胞中的兩個(gè)突變基因拷貝，從而治愈這種疾病。他們?nèi)〉贸晒Γ辽偈窃谛∈篌w內(nèi)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年10月的Nature Medicine期刊上，論文標(biāo)題為“Treatment of a metabolic liver disease by in vivo genome base editing in adult mice”。

　　在利用一種酶加以強(qiáng)化的CRISPR/Cas9系統(tǒng)的幫助下，這些研究人員改變了成年小鼠中這兩個(gè)突變基因拷貝中的堿基序列。這些經(jīng)過校正的肝細(xì)胞能夠產(chǎn)生功能性的Pah酶，這些小鼠所患的這種疾病被治愈了。這種由胞苷脫氨酶(cytidine deaminase)加以強(qiáng)化的CRISPR/Cas9系統(tǒng)結(jié)合到這兩個(gè)需要被校正的基因拷貝上，并且在局部打開DNA雙鏈。胞苷脫氨酶將致病性的DNA堿基對(duì)C-G轉(zhuǎn)化為健康人體內(nèi)對(duì)應(yīng)基因組位點(diǎn)上存在的堿基對(duì)T-A。這能夠校正Pah酶編碼基因中的DNA堿基錯(cuò)誤。

　　國(guó)內(nèi)堿基編輯器新進(jìn)展

　　近年來，將CRISPR/Cas基因編輯酶(如CRISPR/Cas9、CRISPR/Cpf1等)與核酸脫氨編輯酶(如胞嘧啶脫氨酶APOBEC/AID、腺嘌呤脫氨酶ADAR等)整合發(fā)展出的堿基編輯系統(tǒng)(Base Editor, BE)，可在單堿基水平實(shí)現(xiàn)高效率的靶向基因編輯(C-to-T、A-to-G)。這種新型堿基編輯系統(tǒng)理論上可對(duì)數(shù)百種引起人類疾病的基因組單堿基突變進(jìn)行定點(diǎn)矯正，因此擁有巨大的臨床應(yīng)用潛力。堿基編輯技術(shù)于2017年被Science雜志評(píng)為全球十大年度科學(xué)突破之一，進(jìn)一步凸顯出該領(lǐng)域在科學(xué)研究和臨床應(yīng)用上的重要潛力。

　　我國(guó)學(xué)者現(xiàn)已成功開發(fā)基于脫氨酶APOBEC的新型普適堿基編輯器中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院(營(yíng)養(yǎng)與健康院)中國(guó)科學(xué)院-馬普計(jì)算生物學(xué)研究所楊力研究組與上海科技大學(xué)生命學(xué)院陳佳研究組和黃行許研究組合作，成功開發(fā)出一系列基于人胞嘧啶脫氨酶APOBEC的新型普適堿基編輯器，其中基于人APOBEC3A(hA3A)的堿基編輯器可高效介導(dǎo)甲基化胞嘧啶mC到胸腺嘧啶T的編輯。相關(guān)成果以Efficient base editing in methylated regions with a human APOBEC3A-Cas9 fusion 為題，在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-生物技術(shù)》(Nat Biotechnol)上。

　　在這項(xiàng)最新的研究中，合作團(tuán)隊(duì)首先利用生物信息學(xué)方法系統(tǒng)分析了與人類疾病相關(guān)的單堿基突變，發(fā)現(xiàn)胸腺嘧啶T到胞嘧啶C突變中的大部分處于CpG二核苷酸位點(diǎn)。而在哺乳動(dòng)物基因組中，CpG位點(diǎn)的胞嘧啶通常易被甲基化修飾。目前已報(bào)道的堿基編輯系統(tǒng)大多是利用大鼠APOBEC1(rA1)作為脫氨酶進(jìn)行基因組編輯，合作團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)此類rA1依賴的堿基編輯通常會(huì)受到DNA甲基化修飾水平的影響，因此在基因組DNA高甲基化區(qū)域無法實(shí)現(xiàn)高效的堿基編輯。為了實(shí)現(xiàn)高甲基化區(qū)域內(nèi)的高效堿基編輯，合作團(tuán)隊(duì)成員利用十余種來自不同物種的APOBEC胞嘧啶脫氨酶家族蛋白構(gòu)建出一系列新型堿基編輯器，可廣泛用于胞嘧啶C至胸腺嘧啶T單堿基編輯。更為重要的是，合作團(tuán)隊(duì)通過一系列篩選鑒定，發(fā)現(xiàn)基于人APOBEC3A的堿基編輯器(hA3A-BE)可在基因組高甲基化區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高效的甲基化胞嘧啶mC至胸腺嘧啶T單堿基編輯。深入研究發(fā)現(xiàn)，hA3A-BE是一種普適且高效的堿基編輯器，可在已檢測(cè)的多種環(huán)境中實(shí)現(xiàn)胞嘧啶C(或甲基化胞嘧啶mC)至胸腺嘧啶T的高效編輯。最后，通過對(duì)人APOBEC3A的系統(tǒng)性改造，研究團(tuán)隊(duì)縮小了hA3A-BE的編輯區(qū)間，進(jìn)一步提高了其堿基編輯的精度。與之前報(bào)道的基于大鼠APOBEC1的堿基編輯器相比，基于人APOBEC3A的新型堿基編輯器應(yīng)用范圍更加廣泛和全面，這為堿基編輯系統(tǒng)在基礎(chǔ)研究及未來臨床領(lǐng)域的全面深入應(yīng)用提供了新工具、新方法和新思路。

　　針對(duì)堿基基因器的研究雖已經(jīng)歷了眾多實(shí)驗(yàn)，但是要真正投入到實(shí)驗(yàn)中，仍需要很多研究來證明其安全性。