超越前代的最新鹼基編輯器( Base editors ),兼具高效率與多功能性

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鹼基編輯器 ( Base editors ) 是一種利用化學方法將一個錯誤核苷酸轉換成正確核苷酸的基因編輯技術,任職於美國麻省理工學院和哈佛大學的布洛德研究所 ( Broad Institute of MIT and Harvard ) 的劉如謙 ( David Liu ) 博士,對現有的腺嘌呤鹼基編輯器 ( adenine base editors ) 進行改善,可以更有效率的辨識大量基因位點。這意味著新的鹼基編輯器可以將基因體中更多的 A-T 突變修正成 G-C,這在以前的技術上是無法達到的,此新的編輯技術被命名為 ABE8e,該研究結果刊登在 2020 年 3 月 16 日出版的《 Nature Biotechnology 》中。

第一個鹼基編輯器的發現

早在 2013 年 11 月,劉如謙博士就曾告訴他的新博士後研究員 Komor 博士一個相當具有潛力的計畫,包括改變現有基因體工程技術,並開創新的治療方式,他們討論開發一種可以一次改變單一 DNA 鹼基的基因編輯技術。劉博士表示:「 原則上,將 A-T  鹼基對轉換為 G-C 鹼基對,就可以修復多達一半的導致人類致病的點突變。」劉如謙博士現職擔美國哈佛大學和麻省理工學院合辦的研究機構 Broad Institute 中的 Merkin Institute of Transformative Technologies in Healthcare 的所長並為其核心成員,以及 Richard Merkin 的教授。

接著在 2016 年,Komor 博士發表了第一個鹼基編輯器 ( Base editors ),透過將 Cas9蛋白連接著胸嘧啶脫氨酶 ( cytosine deaminase ) 與特定基因體位點結合,可以使胸嘧啶 ( cytosine ) 轉換為尿嘧啶 ( uracil )。同時,在劉如謙博士實驗室的另一位學生也正在進行將鳥嘌呤 ( guanine ) 轉換為腺嘌呤 ( adenine ) 的實驗。透過反覆地突變腺嘌呤脫氨酶 ( adenine deaminase ) 的序列,發現到一種蛋白質可以在單股 DNA 上將腺嘌呤 ( adenine ) 轉換為鳥嘌呤 ( guanine ) 。與胸嘧啶鹼基編輯器 ( cytosine base editor  ) 類似,將修改過的腺嘌呤脫氨酶 ( adenine deaminase  )與 Cas9 結合,並且發展為腺嘌呤鹼基編輯器 ( adenine base editor )。在這兩個鹼基編輯器問世後,眾多的學術機構隨即相繼使用,修改在基因序列中的單一鹼基和修復致病性點突變。此項具有潛在力的技術促使 Beam Therapeutics 公司在 2017 年成立、2020 年上市,且透過首次公開募股發行 100 萬張股票,募集 1.8 億美元。

新鹼基編輯器的需求

鹼基編輯器主要是由不活化的 CRISPR- Cas9 或 Cas12 酵素 ( 利用 guide RNA 引導至辨識的點位,並與之結合 ) 和脫氨酶 ( deaminase;可以使核苷酸轉換 ) 所組成。然而,鹼基編輯器有一些限制,無法在基因體的任何一個位置進行編輯。這是因為原始的鹼基編輯器只能使用 SpCas9 ( 一種特定種類的 Cas9 蛋白質 ),SpCas9 僅會將此編輯器引導到特定的點位上,當混用其他種類的 Cas9 或 Cas12 核酸內切酶,會降低脫氨酶的效率。

為解決這些限制,劉博士的研究團隊修改現有的鹼基編輯器,使其可以透過使用不同種類的 Cas9 和 Cas12 蛋白質辨識到更多的基因點位,且不會降低 Cas9 和 Cas12 蛋白質的效率。他們以基因工程的方法改良噬菌體和細菌,開發了腺嘌呤鹼基編輯器 ( adenine base editor ),此技術由劉博士的研究團隊最早開發,主要設計為只有當腺嘌呤鹼基編輯器獲得突變時,才能使噬菌體存活;且該突變會與新版的 Cas9 和 Cas12 蛋白質有更好的相容性和效率。經過前後多次的改良,誕生新的鹼基編輯器,稱作 ABE8e

新鹼基編輯器 ABE8e

比較新鹼基編輯器 ABE8e 與之前的鹼基編輯器 ABE7.10 的基因編輯效率、脫靶效應 ( off-target;即偏離目標 ) ,以及在基因點位上的廣泛適用性;新鹼基編輯器的編輯 DNA 速率比之前的基因編輯器快了將近 590 倍。共同參與此研究的 CRISPR 先驅者 Jennifer Doudna 博士表示:「 ABE8e 編輯基因的速度快得像火箭一樣!在我們最一開始操作的五分鐘內,此編輯器就已經將我們所給的起始材料全部轉換完成,可見效率之高。」

但是,高效率編輯器卻存在一個問題,就是會以同樣的高速率產生脫靶效應;劉如謙博士的團隊預期到了這個問題,因此在新版鹼基編輯器的設計上做了一些小改變,可大大降低鹼基編輯器與 DNA 和 RNA 的親和力,同時增加 Cas9 附著於 DNA 的依賴性,且不會改變基因編輯的效率。

基因編輯器是否能作用在哺乳動物的細胞?

在以改良過的基因編輯器進行體外試驗後,研究團隊決定在人類細胞進行試驗;試驗設計為將 BCL11A  enhancer 的兩個不同基因點位進行編輯,以抑制 BCL11A 表現 ( BCL11A 為能抑制胎兒血紅蛋白 HbF 表達的基因片段 ) 和 HBG 基因 promoter 上兩個點位進行編輯,以增強 HBG 表現 ( HBG 能轉錄胎兒血紅蛋白 HbF )。原理機制為藉由抑制 BCL11A 的表現和增強 HBG 的表現,可使 HbF 適當大量表達;由於 HbF 對氧有較高的親和力,藉由增加 HbF 在缺乏成人血紅素 HbA 病患體內的含量,將可應用於治療血液疾病,例如乙型地中海貧血 ( beta-thalassemia ) 和鐮刀型貧血 ( sickle cell anemia ) ,關於這方面的基因編輯研究,是目前全球科學家熱門探究的方向。

由於 ABE8e 有很快的基因編輯速度,與之前的鹼基編輯器 ABE7.10 相比,新的鹼基編輯器 ABE8e 能夠修正 55 % 的 BCL11A 等位基因,而 ABE7.10 只能修改 8 % 的 BCL11A 等位基因。此特點使 ABE8e 能夠適用於其他版本的 Cas9 和 Cas12 蛋白質,使其在較短的時間內與 DNA 結合,並可廣泛結合於基因組,而不限於特定基因位點。劉博士的團隊現正致力在動物模型中進行修正關於人類基因疾病的致病性點突變。

劉如謙博士表示:「 新的鹼基編輯器 ABE8e 的特點為擴大辨識基因組的位置、改善基因編輯效率和適用性,並提高了原有腺嘌呤鹼基編輯器的功能。我們很高興 ABE8e 能夠加入到增長快速的鹼基編輯工具中,到目前為止,ABE8e 運作得非常好,這並不代表我們或其他實驗室不會在增加其他功能在之後的鹼基編輯器上。這項研究成果以及全球各研究團隊對於鹼基編輯器的創新開發,都代表了鹼基編輯在分子生物技術上的應用需求,並提供越來越強大且兼具治療的應用。

延伸閱讀:兩項專利助攻! Mammoth Biosciences開發第一個CRISPR疾病檢測平台

原文作者/ Ruchi Jhonsa, Ph.D.
翻譯/ Lucy

參考資料:
1. https://geneonline.news/en/2020/03/18/evolved-base-editor-surpasses-predecessors-with-high-efficiency-and-versatility/?doing_wp_cron=1585872832.5592210292816162109375

2. https://www.broadinstitute.org/news/more-versatile-and-efficient-base-editor-unlocks-new-gene-editing-targets

3. Richter et al., 2020, Nature Biotechnology

4. Rees and Liu, 2018, Nat Rev Genet

5. Gaudelli et al., 2017 Nature

6. Komor et al., 2016 Nature

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