難題突現：單鹼基基因編輯技術存在RNA突變效應

近期發表在Nature雜誌上的一篇研究報導顯示，單鹼基基因編輯存在脫靶效應，會導致 RNA 突變。這顛覆了科學界原來的認識，即單鹼基基因編輯的編輯效果更為精準，在應用過程中也更為安全。

該研究結果一發表，立即在生物科研領域引起軒然大波，研究者不得不重新考慮單鹼基基因編輯系統的安全性問題，這給這一技術的進一步應用帶來一定的障礙。

近幾年，關於基因編輯的研究與應用在幾乎所有生物醫學領域飛速發展。基因編輯是一組技術，使科學家能夠改變生物體的 DNA。這些技術允許在基因組中的特定位置添加，去除或改變遺傳物質。目前，研究人員已經開發了幾種基因組編輯方法。

CRISPR-Cas9 基因編輯系統是其中最火的工具。它包含聚集的規則間隔短回文重複序列和 CRISPR 相關蛋白 9。這一系統在細菌體內被首次發現，是細菌抵抗噬菌體的“防禦武器”。

這一系統的工作原理可以簡單概括為 Cas9 這個酶在 gDNA 的引導下對目標基因進行敲除、添加等編輯操作。

另外，這一系統是針對 DNA 雙鏈多鹼基進行編輯的。但是，隨著研究的深入，研究人員發現 CRISPR-Cas9 存在脫靶風險，即在導入 CRISPR-Cas9 後會導致非目標區基因的改變，由於這一技術是直接修改生物基因組，因此其具有難以消除的遺傳效應，脫靶效應存在潛在的巨大害處。

圖丨CRISPR-Cas9 基因編輯系統（來源：bing）

2016 年，來自哈佛大學 Broad 研究所的劉如謙（David R. Liu ）教授團隊改造了 CRISPR-Cas9 技術，研發出首個可編輯 DNA 單個鹼基的基因編輯技術 CBE（Cytosine Base Editor），可以將 C-G 鹼基對轉變成 T-A 鹼基對。不久，該團隊獲得可將 A-T 鹼基對轉變成 G-C 鹼基對的鹼基編輯器 ABE（Adenine Base Editor）。顧名思義，單鹼基基因編輯系統是對單個目標鹼基進行識別和編輯，這套系統可以從根本上治療很多單鹼基變異疾病。

圖丨單鹼基基因編輯示意圖（來源：bing）

從理論上說，由於單鹼基基因編輯的識別窗很窄，其導致的脫靶風險也會更低，同時，單個鹼基發生突變所帶來的影響也要遠小於普通 CRISPR-Cas9 基因編輯系統所帶來影響。

現在，這一認識被一項新研究打破了。

自麻省總醫院的病理學家和分子生物學家 J. Keith Joung 及其團隊篩選了常見的單鹼基編輯系統，並在人類肝髒和腎髒細胞中對這些系統進行了檢測和分析。

隨之而來的結果令研究人員大吃一驚，單鹼基基因編輯的關鍵酶——脫氨酶會改變靶細胞內的 RNA，將其胞嘧啶（cytosines）轉變成尿嘧啶（uracil），從而導致蛋白質編碼和非編碼序列的突變，而且整個導致的 RNA 突變量巨大，這些突變的 RNA 會嚴重影響其下遊蛋白質的翻譯與修飾。

圖丨脫氨酶的已知活性與未知活性（來源：Transcriptome-wide off-target RNA editing induced by CRISPR-guided DNA base editors）

為了解決單鹼基基因編輯的脫靶效應，J.Keith Joung 教授的團隊通過優化兩種單鹼基編輯的關鍵酶，大大減少了 RNA 脫靶效應，將 RNA 變異率減少 390 倍和 3800 倍，同時，這些改良酶可以更精準地實現 DNA 編輯。

J.Keith Joung 教授表示，他們的發現並不是給單鹼基基因編輯潑冷水，而是希望借此機會推動 CRISPR 的進一步完善。只有這樣，單鹼基基因編輯系統才能更加安全地應用於基礎研究和臨床治療當中。

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參考：

Martin J. Aryee, J. Keith Joung. Transcriptome-wide off-target RNA editing induced by CRISPR-guided DNA base editors

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