新型双碱基编辑器助力基因治疗

来源: 中国科学报 / 作者: 2020-06-05
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6 月 1 日晚,华东师范大学李大力课题组和刘明耀课题组在《自然—生物技术》在线发表论文,展示了一款基因编辑新工具。该工具打破现有碱基编辑器作用底物的限制,创新地开发了新型双功能碱基编辑器,同时实现胞嘧啶和腺嘌呤两种碱基的转换,为基础研究和遗传性疾病,如β—地中海贫血的治疗提供了新工具。

另辟蹊径 实现两种碱基的转换

ClinVar 的数据显示,人类约 58% 的遗传疾病是由于碱基突变引起的。然而,现有的碱基编辑器只能催化单一类型碱基的转换,难以治疗由两种碱基突变引起的遗传疾病;单一的碱基产物也使现有碱基编辑器在分子进化、饱和突变筛选等基础研究方面的应用受限。因此,开发能同时催化两类碱基转换的高效碱基编辑器,既是概念上的创新,也将极大地丰富碱基编辑工具。

研究团队通过将胞嘧啶脱氨酶及腺嘌呤脱氨酶与酶活缺陷型 Cas9 融合,共构建了 5 种融合方式的载体。

通过哺乳动物细胞测试,研究者筛选到其中最优的融合方式,同时实现腺嘌呤(A)向鸟嘌呤(G)以及胞嘧啶(C)向胸腺嘧啶(T)的碱基转换。这一突破让课题组振奋,但偏低的转换效率也提示该研究还有改进余地。

为了进一步提高编辑效率,课题组通过多轮优化,最终获得了一种高效的双碱基编辑器,并命名为 A&C-BEmax。同时,课题组全面评价了这一新工具的性能。通过在人类细胞系中 28 个靶点的测试,发现 A&C-BEmax 对于胞嘧啶的编辑窗口扩大到原来的两倍,编辑活性提高了 1.9~14 倍,具有更低的脱靶效应,而且 A/C 同时突变的效率最高达到 30%。

A&C-BEmax 的独特性能,也使其在基因治疗的应用中具有独到之处。

例如,β—地中海贫血是我国南方及世界热带地区高发遗传性疾病。已有研究表明提高胎儿期血红蛋白替代受损的成人血红蛋白,有望治愈包括β—地中海贫血和镰刀状贫血在内的β—血红蛋白病。研究人员将 A&C-BEmax 与向导 RNA 递送到类红细胞前体细胞(HUDEP-2)中。结果表明,A&C-BEmax 能高效破坏胎儿期血红蛋白基因 HBG1/2 启动子区域转录抑制因子 BCL11A 结 合位点,同时创造新的转录激活因子 GATA1 的结合位点,促使胎儿期血红蛋白显著升高到超过理论治愈的水平,对于治疗β—地中海贫血和镰状细胞贫血症有重要意义。

性能优越 应用前景广泛

基因编辑研究领域全球竞争激烈。仅 6 月 1 日《自然—生物技术》就报道了全球三个课题组在基因编辑工具研发领域的类似研究成果,加上今年初同一杂志在线发表的类似研究,一共有四个相似的基因编辑工具被报道,虽然名称各异但功能类似。

从论文发表的数据来看,A&C-BEmax 编辑效率、产物纯度、碱基突变的饱和度及突变类型显著提高,也没有发现 DNA 脱靶,RNA 水平的脱靶大幅降低,是一款非常高效的双功能碱基编辑工具。

“与单独产生 C 到 T 碱基编辑的细胞相比,A/C 同时突变后分化的 HUDEP-2 细胞具有更高的 HBG 表达水平。” 该论文共同第一作者、华东师范大学生命科学学院博士生张晓辉解释说,这意味着 A&C-BEmax 这一新型双碱基编辑系统对于精准治疗β—血红蛋白病的巨大潜力。

“通过筛选不同基因型的单克隆细胞,实验也证明 A&C-BEmax 可以在单个碱基的维度分析 DNA 序列对于基因转录的影响。” 该论文共同第一作者、华东师范大学生命科学学院博士生朱碧云补充说。

专家表示,该新型双碱基编辑工具在基因治疗、物种改良、分子进化、疾病模型制作、耐药性筛选等方面意义重大。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41587-020-0527-y

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