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时隔仨月,这个“85后”科研团队再次登上国际顶级期刊

  时隔三个月,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心杨辉研究组再次登上了世界顶级学术期刊。这一次,这位“85后”研究员带领着他的团队,一路披荆斩棘,首次证明了多个单碱基编辑技术均存在大量的RNA脱靶,并获得三种更高精度的单碱基编辑工具,为单碱基编辑技术进入临床治疗提供了重要基础。

  6月11日,《自然》期刊在线发表了其研究论文,详细介绍了这一成果。“这项研究提供了减少RNA(核糖核酸)脱靶的单碱基编辑器,对基因编辑领域具有重要价值。”国际同行如是评价。

  而在今年3月,杨辉实验室团队与合作者开发出的全新检测基因编辑工具脱靶技术相关研究成果在线发表在顶级期刊《科学》上。

  神奇的单碱基编辑技术

  随着科学技术的进步和相关事件的发酵,基因编辑这一曾经高高在上的科学名词,如今已走进公众视野。

  “基因编辑技术若使用得当,是能造福人类的。”杨辉举例,利用这一技术,我们可以改良植物性状,使得蔬菜保质期更长、口感更好;可以通过相关DNA复活灭绝物种,这些都并非遥不可及。

  当然,对基因编辑技术来说,更关键的是可以治疗一些恶性疾病。脊髓性肌营养不良、地中海贫血、血友病、视网膜黄斑变性、遗传性耳聋……

  根据杨辉提供的数据,全球有3亿罕见病患者,儿童占了一半。这7000多种罕见病90%无药可治,犹如悬在头顶上的一把达摩克利斯之剑,时时困扰着人类。

  单碱基编辑技术的出现,犹如黎明前的一道曙光,让科学家和患者们看到了希望。“80%的罕见病是单基因遗传病。理论上,通过单碱基编辑技术可以修复百分之五十以上的单基因遗传病。”论文第一作者、中科院神经所博士研究生周昌阳称。

  不过现实是,因为安全性一直无法确定,迄今为止仅有两三种基因编辑技术进入了临床试验阶段。横亘在罕见病患者面前的是一座看不见的高山。

  基因是有遗传效应的DNA片段。人类的DNA由31亿多个碱基对组成,这些数量庞大的碱基对则由ATCG 4种碱基有机地排列组合而成。所谓基因编辑,即对基因组中的特定DNA片段进行敲除、加入、替换等。

  2012年,凭借成本低廉、操作方便、效率高等优势,第三代基因编辑工具CRISPR/Cas9迅速在科学界风靡。

  在CRISPR/Cas9基础上,后来又衍生出了第四代基因编辑技术——单碱基编辑技术:一类是CBE,即可以将DNA四种核苷酸的中的C突变成T或者G突变成A的一类编辑器,第二类是ABE,即可以将T突变成C或者A突变成G的编辑器。

  “基因编辑工具CRISPR/Cas9相当于一个加了GPS的剪刀。”随着研究的深入,研究团队发现在针对很多疾病进行修复的过程中,因为CRISPR/Cas9首先需要切断DNA双链,再利用细胞自身的修复来进行精确的修复,但是往往切断了DNA双链之后只有一部分细胞会通过精确的同源重组来修复,另外一部分则会被随机修复。

  而随机修复往往会引起其他的突变,这就限制了CRISPR/Cas9技术在疾病中治疗的应用。“如果将CRISPR/Cas9及其衍生工具用于临床的话,脱靶效应可能会引起包括癌症在内的多种副作用。”杨辉说。

  与CRISPR/Cas9相比,单碱基编辑技术可以更精细地修改DNA。“单碱基编辑技术在不需要切断DNA双链的情况下就能精确的实现DNA的定向突变,可以应用到大多数单基因遗传病中。”周昌阳表示。

  无处不在的脱靶风险

  我们知道,在某些极端情况下,一个碱基的变化都可能导致某些基因功能的改变或者缺失,进而引发疾病。而人类接近50%的单基因遗传病,是由一个碱基变化导致。能否把这个特定的碱基安全有效修复,这正是基因编辑工具肩负的一个重要使命。

  “无论哪一种基因编辑工具,编辑效率和特异性一直是衡量其好坏的两个关键因素。”周昌阳说,基因编辑技术的开发难点在于既要能保证很高的目的位点编辑效率,又要能保证基因编辑工具的特异性,换句话说,我们的基因编辑工具只能编辑目的位点,不能编辑到其他不想编辑的位点。

  理想很丰满,现实很骨感。随着研究的深入,单碱基编辑这一自CRISPR/Cas9技术诞生以来被科学界寄予厚望的高精度基因编辑技术,也于今年初被证实难逃脱靶风险。

  今年初,杨辉团队建立起名为GOTI的新型脱靶检测技术,通过精巧的实验设计发现,原以为安全的CBE单碱基基因编辑技术存在DNA脱靶,其脱靶的概率相当于自然遗传突变的20倍。这意味着什么?“如果脱靶发生到了癌基因和抑癌基因上,将会导致一定的致癌风险。”周昌阳解释。

  而得益于这一发现,随后有两家公司正在推向临床的两个基因药物项目及时叫停了。

  探索的脚步没有就此停下。此前,科学家们对于单碱基编辑技术脱靶问题的研究一直专注在DNA水平,在RNA水平上是否也存在脱靶风险呢?瞄准新目标,杨辉团队开始了又一轮的深入研究。

  更精准的新一代编辑工具

  时光不负情深。研究团队此次将单碱基编辑技术脱靶检测范围扩展到了RNA水平,首次证明常用的三种单碱基编辑技术BE3、BE3-hA3A和ABE7.10均存在大量的RNA脱靶,并且发现ABE7.10高频率地发生在癌基因和抑癌基因上,具有较强的致癌风险。

  “在之前的研究报道中,CBE单碱基编辑技术存在全基因组范围内的DNA水平随机的脱靶,ABE单碱基编辑技术未检测到DNA水平的脱靶,我们的研究发现CBE和ABE均存在RNA水平的脱靶。”周昌阳告诉记者,这提示了该领域不仅需要关心基因编辑工具的DNA水平的脱靶检查,同时还需要关心RNA水平的脱靶检查。

  “我们的初衷都是希望能够开发出来高编辑效率高特异性的基因编辑工具,应用到疾病的治疗中去。”周昌阳说。

  事实证明,RNA脱靶确实存在于单碱基编辑器上,可是具体由哪一个部分引起的RNA脱靶呢?

  研究团队通过精巧的实验设计,发现存在于单碱基编辑器中的脱氨酶是“罪魁祸首”,并分别对CBE单碱基基因编辑技术的胞嘧啶脱氨酶和ABE单碱基基因编辑技术的腺嘌呤脱氨酶进行了突变优化,将两种脱氨酶的RNA结合活性失活掉,使得其不能结合到RNA上,最终获得能够完全消除RNA脱靶并且维持DNA编辑活性的高保真单碱基编辑工具。

  不仅如此,研究团队开发的新一代的ABE单碱基编辑工具还能够缩小编辑窗口,实现更加精准的DNA编辑。该技术在特异性和精确性上超越了单碱基编辑器ABE7.10,有望在未来成为一种更加安全、更加精准的基因编辑工具,应用于临床治疗中。

  周昌阳告诉记者,下一步研究团队将努力开发出既没有DNA也没有RNA脱靶的编辑工具,今后如何使得基因编辑工具变得更小,更加方便导入到病人的细胞中进行疾病的治疗,也是未来研究的一个重要方向。

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