超越前代的最新碱基编辑器( Base editors ),兼具高效率与多功能性

0

碱基编辑器 ( Base editors ) 是一种利用化学方法将一个错误核苷酸转换成正确核苷酸的基因编辑技术,任职于美国麻省理工学院和哈佛大学的布洛德研究所 ( Broad Institute of MIT and Harvard ) 的刘如谦 ( David Liu ) 博士,对现有的腺嘌呤碱基编辑器 ( adenine base editors ) 进行改善,可以更有效率的辨识大量基因位点。这意味着新的碱基编辑器可以将基因体中更多的 A-T 突变修正成 G-C,这在以前的技术上是无法达到的,此新的编辑技术被命名为 ABE8e,该研究结果刊登在 2020 年 3 月 16 日出版的《 Nature Biotechnology 》中。

第一个碱基编辑器的发现

早在 2013 年 11 月,刘如谦博士就曾告诉他的新博士后研究员 Komor 博士一个相当具有潜力的计画,包括改变现有基因体工程技术,并开创新的治疗方式,他们讨论开发一种可以一次改变单一 DNA 碱基的基因编辑技术。刘博士表示:“ 原则上,将 A-T  碱基对转换为 G-C 碱基对,就可以修复多达一半的导致人类致病的点突变。”刘如谦博士现职担美国哈佛大学和麻省理工学院合办的研究机构 Broad Institute 中的 Merkin Institute of Transformative Technologies in Healthcare 的所长并为其核心成员,以及 Richard Merkin 的教授。

接着在 2016 年,Komor 博士发表了第一个碱基编辑器 ( Base editors ),透过将 Cas9蛋白连接着胸嘧啶脱氨酶 ( cytosine deaminase ) 与特定基因体位点结合,可以使胸嘧啶 ( cytosine ) 转换为尿嘧啶 ( uracil )。同时,在刘如谦博士实验室的另一位学生也正在进行将鸟嘌呤 ( guanine ) 转换为腺嘌呤 ( adenine ) 的实验。透过反复地突变腺嘌呤脱氨酶 ( adenine deaminase ) 的序列,发现到一种蛋白质可以在单股 DNA 上将腺嘌呤 ( adenine ) 转换为鸟嘌呤 ( guanine ) 。与胸嘧啶碱基编辑器 ( cytosine base editor  ) 类似,将修改过的腺嘌呤脱氨酶 ( adenine deaminase  )与 Cas9 结合,并且发展为腺嘌呤碱基编辑器 ( adenine base editor )。在这两个碱基编辑器问世后,众多的学术机构随即相继使用,修改在基因序列中的单一碱基和修复致病性点突变。此项具有潜在力的技术促使 Beam Therapeutics 公司在 2017 年成立、2020 年上市,且透过首次公开募股发行 100 万张股票,募集 1.8 亿美元。

新碱基编辑器的需求

碱基编辑器主要是由不活化的 CRISPR- Cas9 或 Cas12 酵素 ( 利用 guide RNA 引导至辨识的点位,并与之结合 ) 和脱氨酶 ( deaminase;可以使核苷酸转换 ) 所组成。然而,碱基编辑器有一些限制,无法在基因体的任何一个位置进行编辑。这是因为原始的碱基编辑器只能使用 SpCas9 ( 一种特定种类的 Cas9 蛋白质 ),SpCas9 仅会将此编辑器引导到特定的点位上,当混用其他种类的 Cas9 或 Cas12 核酸内切酶,会降低脱氨酶的效率。

为解决这些限制,刘博士的研究团队修改现有的碱基编辑器,使其可以透过使用不同种类的 Cas9 和 Cas12 蛋白质辨识到更多的基因点位,且不会降低 Cas9 和 Cas12 蛋白质的效率。他们以基因工程的方法改良噬菌体和细菌,开发了腺嘌呤碱基编辑器 ( adenine base editor ),此技术由刘博士的研究团队最早开发,主要设计为只有当腺嘌呤碱基编辑器获得突变时,才能使噬菌体存活;且该突变会与新版的 Cas9 和 Cas12 蛋白质有更好的相容性和效率。经过前后多次的改良,诞生新的碱基编辑器,称作 ABE8e

新碱基编辑器 ABE8e

比较新碱基编辑器 ABE8e 与之前的碱基编辑器 ABE7.10 的基因编辑效率、脱靶效应 ( off-target;即偏离目标 ) ,以及在基因点位上的广泛适用性;新碱基编辑器的编辑 DNA 速率比之前的基因编辑器快了将近 590 倍。共同参与此研究的 CRISPR 先驱者 Jennifer Doudna 博士表示:“ ABE8e 编辑基因的速度快得像火箭一样!在我们最一开始操作的五分钟内,此编辑器就已经将我们所给的起始材料全部转换完成,可见效率之高。”

但是,高效率编辑器却存在一个问题,就是会以同样的高速率产生脱靶效应;刘如谦博士的团队预期到了这个问题,因此在新版碱基编辑器的设计上做了一些小改变,可大大降低碱基编辑器与 DNA 和 RNA 的亲和力,同时增加 Cas9 附着于 DNA 的依赖性,且不会改变基因编辑的效率。

基因编辑器是否能作用在哺乳动物的细胞?

在以改良过的基因编辑器进行体外试验后,研究团队决定在人类细胞进行试验;试验设计为将 BCL11A  enhancer 的两个不同基因点位进行编辑,以抑制 BCL11A 表现 ( BCL11A 为能抑制胎儿血红蛋白 HbF 表达的基因片段 ) 和 HBG 基因 promoter 上两个点位进行编辑,以增强 HBG 表现 ( HBG 能转录胎儿血红蛋白 HbF )。原理机制为借由抑制 BCL11A 的表现和增强 HBG 的表现,可使 HbF 适当大量表达;由于 HbF 对氧有较高的亲和力,借由增加 HbF 在缺乏成人血红素 HbA 病患体内的含量,将可应用于治疗血液疾病,例如乙型地中海贫血 ( beta-thalassemia ) 和镰刀型贫血 ( sickle cell anemia ) ,关于这方面的基因编辑研究,是目前全球科学家热门探究的方向。

由于 ABE8e 有很快的基因编辑速度,与之前的碱基编辑器 ABE7.10 相比,新的碱基编辑器 ABE8e 能够修正 55 % 的 BCL11A 等位基因,而 ABE7.10 只能修改 8 % 的 BCL11A 等位基因。此特点使 ABE8e 能够适用于其他版本的 Cas9 和 Cas12 蛋白质,使其在较短的时间内与 DNA 结合,并可广泛结合于基因组,而不限于特定基因位点。刘博士的团队现正致力在动物模型中进行修正关于人类基因疾病的致病性点突变。

刘如谦博士表示:“ 新的碱基编辑器 ABE8e 的特点为扩大辨识基因组的位置、改善基因编辑效率和适用性,并提高了原有腺嘌呤碱基编辑器的功能。我们很高兴 ABE8e 能够加入到增长快速的碱基编辑工具中,到目前为止,ABE8e 运作得非常好,这并不代表我们或其他实验室不会在增加其他功能在之后的碱基编辑器上。这项研究成果以及全球各研究团队对于碱基编辑器的创新开发,都代表了碱基编辑在分子生物技术上的应用需求,并提供越来越强大且兼具治疗的应用。

延伸阅读:两项专利助攻! Mammoth Biosciences开发第一个CRISPR疾病检测平台

原文作者/ Ruchi Jhonsa, Ph.D.
翻译/ Lucy

参考资料:
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

©www.geneonline.news. All rights reserved. 基因线上版权所有 未经授权不得转载。合作请联系:service@geneonlineasia.com

一指订阅
接轨全球生技医疗

周周接收编辑精选文章
为你掌握全球生医趋势

订阅电子报,接轨全球生技医疗