基因编辑新纪元？RNA 编辑技术回顾与比较

相较于双股螺旋 DNA，RNA 研究发展和新药开发的相关知识、技术则前进得较为缓慢。科学家于 1960 年代发现 mRNA）的存在，但是 RNA 编辑技术的应用一直到 1990 年代开始起步，直至最近 20 年间，RNA 相关的疫苗研发、新药开发、核准与上市才蓬勃发展。

尽管 DNA 编辑技术发展较成熟，但 DNA 编辑发生后就无法回复，是技术发展的一大限制。相较之下 RNA 编辑较具有可以修复的弹性，产生的不良反应也比较少。本期基因线上 GeneOnline 专题聚焦这项具有潜力的基因编辑技术，分别回顾 RNA 编辑技术发展历程、产业动态、专家访谈 3 大面向，深度介绍 RNA 编辑的发展进程。

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话说从头：RNA 编辑的起源

RNA 编辑的起源，可以回溯到 1986 年单细胞原虫体内观察到的现象。Rob Benne 和几位科学家发表于《Cell》研究发现，原虫粒线体中转移突变的细胞色素氧化酶基因转录本，带有 4 个非由 DNA 编码来的外插尿嘧啶（Uracil）序列。他们于是把尿嘧啶的插入现象，也就是 RNA 在转录后修饰，使其与 DNA 序列不相应的机制，命名为“RNA 编辑”。

隔年，L. M. Powell 与另一批科学家很快就在哺乳类体内也发现类似的现象，甚至更为惊人：当 RNA 编辑将特定序列修饰为终止密码子（stop codon），RNA 小变动便会使其转译出截然不同的蛋白质。

自此，RNA 编辑被用于泛指 RNA 转录后的修饰机制，一般而言可依其运作方式分为两大类。第 1 类指 RNA 插入/删除（insertion/deletion）现象，此类编辑机制发生在转录形成成熟 RNA 以前，会更动基因组长度。第 2 类编辑机制则不会改变 RNA 总长，而是借由更动核酸的碱基对影响其后续作用。以上 2 类修饰都会与原始 RNA 模板产生不同的转译结果，也间接提高了生物的遗传多样性。

RNA 编辑机制一览：A-to-I、C-to-U 及其他

至于 RNA 编辑涵盖哪些机制，以下分别从 A-to-I、C-to-U 和其他两种衍伸类型，介绍 RNA 编辑的技术核心。

1. Adenosine to inosine（A-to-I）编辑

A-to-I RNA 编辑是由 ADAR 催化发生的反应。ADAR 辨识并解开双股 RNA 后，将腺苷（A）置换成肌苷（I），是生物体最主要出现的 RNA 编辑形式。

A-to-I 编辑是人体中最常见的 RNA 编辑机制，人体内这种基因编辑机制的作用目标是 Alu 元件（Alu element）。Alu 元件是一段特殊基因片段，它在人类基因体中高度重复出现，占据 11% 的基因片段，且人体全部 Alu 元件中至少包含 1 亿个 A-to-I 编辑位点，如果这些片段的 RNA 编辑功能异常会造成神经退化性疾病。

A-to-I editing / 图片来源：Reference Module in Biomedical Sciences (2019)

2. Cytidine to uridine（C-to-U）编辑

C-to-U RNA 编辑发生于单股 mRNA ，催化 C-to-U 编辑的酵素是 APOBEC，APOBEC 不仅执行 RNA 编辑，也会催化特定形式的 DNA 编辑。

最早在生物体内被发现的 C-to-U 编辑案例，与小肠载脂蛋白 apo-B48 和肝载脂蛋白 apo-B100 有关。这两种蛋白质分别在小肠与肝脏作用，但回溯到上游基因转录过程，两种蛋白源自相同的 DNA 序列，是因为转录过程的基因模板发生 C-to-U 编辑作用，才造成转译出两种完全不同的蛋白质。C-to-U 相较于 A-to-I 编辑在生物体内相当少见，但若功能异常，仍会导致严重疾病。

C-to-U editing / 图片来源：Reference Module in Biomedical Sciences (2019)

3. 应用 CRISPR-Cas 的 RNA 编辑技术（Cas-based ADAR）

Cas-ADAR 是一种结合 DNA 编辑与 RNA 编辑的技术，它的原理是透过执行 DNA 编辑的 Cas9 蛋白，和单股导引 RNA（sgRNA）结合，再去编辑目标 mRNA。这项技术的好处是既能表现 DNA 编辑的高编辑效率，也能顾及 RNA 编辑低脱靶效应（off-target）的优点。

Cas-ADAR 与目标 RNA 的结合力相当高，近几年有研究便透过以 RNA 为标的的 Cas9（RCas9）技术，修复小鼠体内导致肌肉强直症（myotonic dystrophy）基因。

4. PPR 编辑技术

Pentatricopeptide repeat （PPR）蛋白广泛存在植物体内，它会结合植物粒线体或叶绿体的基因转录本，修饰其 RNA 序列进而影响植物的光合作用、呼吸作用等功能，这类蛋白的潜力也被应用至 RNA 编辑技术领域。

在人类现有疾病中，约有 15% 和 RNA 编辑异常功能有关，非编码 RNA 的基因活性失调更是许多疾病的起因，PPR 正好能在其精准编辑的特性上补足临床应用的需要。

已有研究在人类与小鼠模型中透过 PPR 蛋白修饰与眼部和神经疾病相关的 RNA，将来可能作为老年性黄斑部病变的治疗方式。此外改良的 PPR 编辑技术也可引导 RNA 转录本在细胞内定位，以提升读取 RNA 转录本产出蛋白质的效率。

各有千秋：RNA 编辑 vs. CRISPR

回到基因编辑的技术发展史，不能不提到 DNA 编辑的霸主 CRISPR。简单而言，它的原理是透过人工改造形成的单股导引 RNA 与 Cas9 蛋白作用后，在 DNA 序列上执行定点切割。

CRISPR 最大技术问题便在于，对基因组造成永久的更动，所造成后续效应不论在生物体本身或者伦理层面都引发相当争议。

相较之下，尽管 RNA 编辑技术成本较高，编辑效率不如 CRISPR 高与应用广泛，但 RNA 编辑仍是基因编辑界可瞩目的新星。其转录后修饰机制并不会对基因组造成永久性的更动、产生脱靶机率较低、适合在体外进行、再加上参与蛋白 ADAR 是人体本身就带有的酵素，不容易引发免疫系统激烈反应，都是 RNA 编辑应用上明显具有的安全优势。下一篇将延续从 RNA 编辑的产业概况，进一步介绍 RNA 编辑的市场应用趋势。