Nature Biotechnology：一種新的基因編輯系統(tǒng)可以治療復(fù)雜的疾病
摘要：研究人員開發(fā)了一種新的高效基因組編輯工具，稱為多路正交堿基編輯器(MOBEs)
人類基因組由大約30億個堿基對組成，人類的基因組成有99.6%是相同的。這微不足道的0.4%解釋了人與人之間的差異。這些堿基對的特定突變組合為復(fù)雜健康問題的病因提供了重要線索，包括心臟病和精神分裂癥等神經(jīng)退行性疾病。
目前在活細胞中建模或校正突變的方法效率很低，特別是在多路復(fù)用時——在基因組中同時安裝多個點突變。加州大學圣地亞哥分校的研究人員開發(fā)了一種新的高效基因組編輯工具，稱為多路正交堿基編輯器(MOBEs)，可以一次安裝多個點突變。他們的研究由化學和生物化學助理教授Alexis Komor的實驗室領(lǐng)導，發(fā)表在《自然生物技術(shù)》雜志上。
圖1 多路正交堿基編輯器（MOBE）系統(tǒng)的開發(fā)
Komor的團隊對比較DNA中單個字母變化的基因組特別感興趣。這些字母——C(胞嘧啶)，T(胸腺嘧啶)，G(鳥嘌呤)，A(腺苷)——被稱為堿基。一個人的堿基是C，另一個人的可能是T。這些是單核苷酸變異(snv)或單點突變，一個人可能有4-5百萬個變異。有些變種是無害的;有些是有害的;通常是多種變異的組合導致疾病。
在疾病建模中使用基因組的一個問題是可能的變異數(shù)量之多。如果科學家們試圖確定哪些基因突變導致了心臟病，他們可以解碼一群患有心臟病的人的基因組，但任何兩個人之間的變異數(shù)量使得很難確定哪種變異組合導致了疾病。
“解釋基因變異是一個問題。事實上，大多數(shù)被發(fā)現(xiàn)的變異在臨床上都沒有分類，所以我們甚至不知道它們是致病的還是良性的，我們的目標是通過在受控的實驗室環(huán)境中安裝多種變體來制造一種可用于疾病建模的工具，從而可以進一步研究它們。”文章一作Quinn T. Cowan說。
基因編輯的進化
為了理解mobe被創(chuàng)造出來的原因，我們必須了解傳統(tǒng)基因編輯工具CRISPR-Cas9的局限性。CRISPR-Cas9使用一種向?qū)NA，它的作用就像GPS信號一樣，直接到達你想要編輯的基因組位置。Cas9是一種DNA結(jié)合酶，它可以切斷DNA的兩條鏈，使其完全斷裂。
雖然相對簡單，但雙鏈斷裂對細胞是有毒的。這種類型的基因編輯也可能導致缺失——隨機插入和刪除——細胞無法完美地修復(fù)自身。在CRISPR-Cas9中編輯多個基因會增加風險。
Komor的實驗室使用她開發(fā)的堿基編輯技術(shù)來代替CRISPR，這種技術(shù)可以對DNA進行化學改變，盡管一次只能進行一種類型的編輯(例如，從C到T或從a到G)。因此，堿基編輯不是一次剪掉整個部分，而是一次擦除和替換一個字母。它速度較慢，但效率更高，對細胞的危害也更小。
圖2 當靶向不同染色體上的兩個原間隔體時，MOBEs和親本BEs的靶上和串擾編輯效率
同時應(yīng)用兩個或更多堿基編輯器(將基因組中一個位置的C變?yōu)門，將另一個位置的a變?yōu)镚)，可以更好地建模多基因疾病-由于多個遺傳變異而發(fā)生的疾病。然而，沒有一種技術(shù)可以在沒有引導RNA“串擾”的情況下有效地做到這一點，當堿基編輯器做出不必要的改變時，就會發(fā)生這種情況。
Cowan的mobe使用一種被稱為適體的RNA結(jié)構(gòu)——與特定蛋白質(zhì)結(jié)合的小RNA環(huán)——將堿基修飾酶招募到特定的基因組位置，從而高效地同時編輯多個位點，并降低串擾的發(fā)生率。
該系統(tǒng)新穎，是首次利用適體以正交模式招募腺苷堿基編輯器(ABEs)與胞嘧啶堿基編輯器(CBEs)合成mobe。
區(qū)別是明顯的:當CBE和ABE一起給出而不使用MOBE時，串擾發(fā)生率高達30%。使用MOBE時，串擾小于5%，同時實現(xiàn)30%的轉(zhuǎn)換效率所需的基極變化。
該研究是測試MOBE系統(tǒng)可行性的原理驗證，已獲得臨時專利。為了進一步驗證這些理論，研究小組進行了幾個真實疾病的案例研究，包括一種罕見的激素紊亂——卡爾曼綜合征。他們的實驗表明，MOBE系統(tǒng)可以有效地編輯某些多基因疾病的相關(guān)細胞系。
“我們正在把質(zhì)粒放到AddGene上，這樣任何人都可以自由訪問它們。我們希望其他研究人員將使用mobe來模擬遺傳疾病，了解它們是如何表現(xiàn)的，然后有希望創(chuàng)造有效的治療方法。”
參考資料
[1] Development of multiplexed orthogonal base editor (MOBE) systems
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