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脱靶RNA-原以為安全的CBE單鹼基基因編輯技術存在DNA脫靶

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單鹼基編輯技術的出現,猶如黎明前的一道曙光,讓科學家和患者們看到了希望。“80%的罕見病是單基因遺傳病。理論上,通過單鹼基編輯技術可以修複百分之五十以上的單基因遺傳病。”論文第一作者、中科院神經所博士研究生周昌陽稱。

而得益於這一發現,隨後有兩家公司正在推向臨床的兩個基因藥物項目及時叫停了。

今年初,楊輝團隊建立起名為GOTI的新型脫靶檢測技術,通過精巧的實驗設計發現,原以為安全的CBE單鹼基基因編輯技術存在DNA脫靶,其脫靶的概率相當於自然遺傳突變的20倍。這意味著什麼?“如果脫靶發生到了癌基因和抑癌基因上,將會導致一定的致癌風險。”周昌陽解釋。

事實證明,RNA脫靶確實存在於單鹼基編輯器上,可是具體由哪一個部分引起的RNA脫靶呢?

2012年,憑藉成本低廉、操作方便、效率高等優勢,第三代基因編輯工具CRISPR/Cas9迅速在科學界風靡。

而在今年3月,楊輝實驗室團隊與合作者開發出的全新檢測基因編輯工具脫靶技術相關研究成果在線發表在頂級期刊《科學》上。

↑資料圖,圖文無關。當然,對基因編輯技術來說,更關鍵的是可以治療一些惡性疾病。脊髓性肌營養不良、地中海貧血、血友病、視網膜黃斑變性、遺傳性耳聾……

神奇的單鹼基編輯技術隨著科學技術的進步和相關事件的發酵,基因編輯這一曾經高高在上的科學名詞,如今已走進公眾視野。

無處不在的脫靶風險我們知道,在某些極端情況下,一個鹼基的變化都可能導致某些基因功能的改變或者缺失,進而引發疾病。而人類接近50%的單基因遺傳病,是由一個鹼基變化導致。能否把這個特定的鹼基安全有效修複,這正是基因編輯工具肩負的一個重要使命。

周昌陽告訴記者,下一步研究團隊將努力開發出既沒有DNA也沒有RNA脫靶的編輯工具,今後如何使得基因編輯工具變得更小,更加方便導入到病人的細胞中進行疾病的治療,也是未來研究的一個重要方向。

理想很豐滿,現實很骨感。隨著研究的深入,單鹼基編輯這一自CRISPR/Cas9技術誕生以來被科學界寄予厚望的高精度基因編輯技術,也於今年初被證實難逃脫靶風險。

“無論哪一種基因編輯工具,編輯效率和特異性一直是衡量其好壞的兩個關鍵因素。”周昌陽說,基因編輯技術的開發難點在於既要能保證很高的目的位點編輯效率,又要能保證基因編輯工具的特異性,換句話說,我們的基因編輯工具只能編輯目的位點,不能編輯到其他不想編輯的位點。

在CRISPR/Cas9基礎上,後來又衍生出了第四代基因編輯技術——單鹼基編輯技術:一類是CBE,即可以將DNA四種核苷酸的中的C突變成T或者G突變成A的一類編輯器,第二類是ABE,即可以將T突變成C或者A突變成G的編輯器。

時隔仨月,這個“85後”科研團隊再次登上國際頂級期刊

更精準的新一代編輯工具時光不負情深。研究團隊此次將單鹼基編輯技術脫靶檢測範圍擴展到了RNA水平,首次證明常用的三種單鹼基編輯技術BE3、BE3-hA3A和ABE7.10均存在大量的RNA脫靶,並且發現ABE7.10高頻率地發生在癌基因和抑癌基因上,具有較強的致癌風險。

不過現實是,因為安全性一直無法確定,迄今為止僅有兩三種基因編輯技術進入了臨床試驗階段。橫亘在罕見病患者面前的是一座看不見的高山。

與CRISPR/Cas9相比,單鹼基編輯技術可以更精細地修改DNA。“單鹼基編輯技術在不需要切斷DNA雙鏈的情況下就能精確的實現DNA的定向突變,可以應用到大多數單基因遺傳病中。”周昌陽表示。

6月11日,《自然》期刊在線發表了其研究論文,詳細介紹了這一成果。“這項研究提供了減少RNA(核糖核酸)脫靶的單鹼基編輯器,對基因編輯領域具有重要價值。”國際同行如是評價。

根據楊輝提供的數據,全球有3億罕見病患者,兒童占了一半。這7000多種罕見病90%無藥可治,猶如懸在頭頂上的一把達摩克利斯之劍,時時困擾著人類。

不僅如此,研究團隊開發的新一代的ABE單鹼基編輯工具還能夠縮小編輯窗口,實現更加精準的DNA編輯。該技術在特異性和精確性上超越了單鹼基編輯器ABE7.10,有望在未來成為一種更加安全、更加精準的基因編輯工具,應用於臨床治療中。

基因是有遺傳效應的DNA片段。人類的DNA由31億多個鹼基對組成,這些數量龐大的鹼基對則由ATCG 4種鹼基有機地排列組合而成。所謂基因編輯,即對基因組中的特定DNA片段進行敲除、加入、替換等。

“基因編輯工具CRISPR/Cas9相當於一個加了GPS的剪刀。”隨著研究的深入,研究團隊發現在針對很多疾病進行修複的過程中,因為CRISPR/Cas9首先需要切斷DNA雙鏈,再利用細胞自身的修複來進行精確的修複,但是往往切斷了DNA雙鏈之後只有一部分細胞會通過精確的同源重組來修複,另外一部分則會被隨機修複。

而隨機修複往往會引起其他的突變,這就限制了CRISPR/Cas9技術在疾病中治療的應用。“如果將CRISPR/Cas9及其衍生工具用於臨床的話,脫靶效應可能會引起包括癌症在內的多種副作用。”楊輝說。

時隔三個月,中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心楊輝研究組再次登上了世界頂級學術期刊。這一次,這位“85後”研究員帶領著他的團隊,一路披荊斬棘,首次證明瞭多個單鹼基編輯技術均存在大量的RNA脫靶,並獲得三種更高精度的單鹼基編輯工具,為單鹼基編輯技術進入臨床治療提供了重要基礎。

探索的腳步沒有就此停下。此前,科學家們對於單鹼基編輯技術脫靶問題的研究一直專註在DNA水平,在RNA水平上是否也存在脫靶風險呢?瞄準新目標,楊輝團隊開始了又一輪的深入研究。

研究團隊通過精巧的實驗設計,發現存在於單鹼基編輯器中的脫氨酶是“罪魁禍首”,並分別對CBE單鹼基基因編輯技術的胞嘧啶脫氨酶和ABE單鹼基基因編輯技術的腺嘌呤脫氨酶進行了突變優化,將兩種脫氨酶的RNA結合活性失活掉,使得其不能結合到RNA上,最終獲得能夠完全消除RNA脫靶並且維持DNA編輯活性的高保真單鹼基編輯工具。

“我們的初衷都是希望能夠開發出來高編輯效率高特異性的基因編輯工具,應用到疾病的治療中去。”周昌陽說。

“在之前的研究報道中,CBE單鹼基編輯技術存在全基因組範圍內的DNA水平隨機的脫靶,ABE單鹼基編輯技術未檢測到DNA水平的脫靶,我們的研究發現CBE和ABE均存在RNA水平的脫靶。”周昌陽告訴記者,這提示了該領域不僅需要關心基因編輯工具的DNA水平的脫靶檢查,同時還需要關心RNA水平的脫靶檢查。

眼下,研究團隊已開始嘗試以小鼠和猴為模型,用基因編輯研究治療罕見病。

“基因編輯技術若使用得當,是能造福人類的。”楊輝舉例,利用這一技術,我們可以改良植物性狀,使得蔬菜保質期更長、口感更好;可以通過相關DNA複活滅絕物種,這些都並非遙不可及。