2023年3月3日，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院系統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究院/蘇州系統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究所（簡(jiǎn)稱“系統(tǒng)院”）張曉輝團(tuán)隊(duì)與華東師范大學(xué)鐘濤、李大力團(tuán)隊(duì)合作在Nature Communications《自然-通訊》雜志上在線發(fā)表了題為“Improving adenine and dual base editors through introduction of TadA-8e and Rad51DBD”（通過(guò)引入TadA-8e和Rad51DBD改進(jìn)腺嘌呤和雙堿基編輯器）的研究論文。該研究通過(guò)將ABE8e與Rad51 DNA結(jié)合域（Rad51DBD）融合，以產(chǎn)生超高活性腺嘌呤堿基編輯器（hyABE）。此外，研究人員還開(kāi)發(fā)了高活性的雙堿基編輯器（eA＆C-BEmax和hyA＆C-BEmax）。這些新開(kāi)發(fā)的堿基編輯器在疾病模型和疾病治療方面展現(xiàn)出巨大潛力。
新一代基因編輯工具——堿基編輯器可實(shí)現(xiàn)高效的堿基轉(zhuǎn)換，為單堿基突變導(dǎo)致的遺傳疾病帶來(lái)治愈的希望。目前，堿基編輯器已在基因治療、疾病模型構(gòu)建、藥物篩選和農(nóng)作物遺傳育種方面得到廣泛應(yīng)用。堿基編輯器主要包括ABE（Adenine base editor）和CBE(Cytosine base editor)，可分別在基因組特定位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)A-to-G和C-to-T轉(zhuǎn)換。CBE、ABE開(kāi)發(fā)之初存在不同程度的技術(shù)缺陷，如效率低、靶向范圍小、產(chǎn)物不純、“鄰近堿基”突變、體積太大、DNA和RNA脫靶等問(wèn)題。該研究團(tuán)隊(duì)前期已開(kāi)發(fā)出多款克服其技術(shù)缺陷的新性能堿基編輯器。然而，目前的ABE在靠近PAM區(qū)（protospacer adjacent motif，前間區(qū)序列鄰近基序）編輯活性仍然較低，可編輯兩種堿基底物的雙堿基編輯器，因ABE活性低導(dǎo)致A/C同時(shí)編輯效率也較低，這極大限制了ABE和A&C-BE的廣泛應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)出超高活性的ABE和A&C-BE顯得極為迫切。
研究團(tuán)隊(duì)受到前期開(kāi)發(fā)hyCBEs策略的啟發(fā)，在ABE8e基礎(chǔ)上融合Rad51DBD，發(fā)現(xiàn)可有效提升其在靠近PAM區(qū)的編輯效率，在A10-A15位，hyABE編輯效率高于ABE8e，最高可提高7倍。在一些靶點(diǎn)，hyABE可以編輯ABE8e幾乎無(wú)法編輯的位點(diǎn)，且脫靶率仍然保持在較低水平。采用類似策略，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了高活性雙功能堿基編輯器eA&C-Bemax（enhanced A&C-BEmax）、hyA&C-BEmax（hyperactive A&C-BEmax）。這兩種新型雙堿基編輯器比A&C-BEmax的A/C同時(shí)轉(zhuǎn)換效率提高1.2倍、1.5倍。進(jìn)一步安全性評(píng)價(jià)顯示，eA&C-BE和hyA&C-BE與對(duì)應(yīng)的ABE8e和A&C-BE相比，并不展示更高的脫靶效應(yīng)，由此說(shuō)明，優(yōu)化后堿基編輯具有較高的特異性。
研究團(tuán)隊(duì)將開(kāi)發(fā)的hyABE、eA&C-BE和hyA&C-BE應(yīng)用到β-血紅蛋白病的基因治療中，結(jié)果顯示，hyABE，eA&C-BE和hyA&C-BE 展現(xiàn)出較高治療潛力，除此之外，還可用于高效構(gòu)建斑馬魚疾病動(dòng)物模型。
圖1：hyABE在β-血紅蛋白病的基因治療潛力
圖2：新性能堿基編輯器有效產(chǎn)生斑馬魚疾病動(dòng)物模型
綜上，hyABE在PAM區(qū)附近，提高了A-to-G編輯效率，eA&C-BEmax和hyA&C-BEmax顯著提高了A/C同時(shí)轉(zhuǎn)換效率。這些新的堿基編輯工具可用于基因治療和疾病動(dòng)物模型構(gòu)建，進(jìn)一步豐富了堿基編輯工具箱，有助于在基礎(chǔ)研究和臨床治療應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的基因編輯。
系統(tǒng)院張曉輝研究員，華東師范大學(xué)鐘濤教授、李大力教授為本文通訊作者。華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2020級(jí)碩士研究生薛念念、2021級(jí)博士研究生劉旭、博士后張丹，系統(tǒng)所2022級(jí)博士研究生吳友明為該論文的共同第一作者。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程（2022-I2M-1-024，2022-I2M-2-004）等項(xiàng)目支持。
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https://doi.org/10.1038/s41467-023-36887-1
