刘如谦全面升级单碱基编辑器,补齐单碱基编辑短板,为更多遗传病治疗带来新工具

2021
07/01

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生物世界
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撰文 | 王聪

编辑 | nagashi

排版 | 水成文


单碱基突变 ,占据了人类已知的致病基因突变的一半以上,碱基编辑器 (Base Editor) 是由可编程 DNA 结合蛋白与碱基修饰酶融合,在不导致DNA双链断裂的情况下,实现精确修改基因组中的单个碱基。

在2016年和2017年,刘如谦(David Liu)团队先后开发了胞嘧啶碱基编辑器(CBE),能够将C•G转换为T•A,以及腺嘌呤碱基编辑器(ABE),能够将A•T转换为G•C,这也是目前的两大类碱基编辑器。然而,对于C•G到G•C的碱基颠换突变,CBE和ABE通常束手无策。


2020年7月20日,Nature Biotechnology 同期发表两篇论文,报道了可实现C•G转换为G•C的碱基编辑新工具——CGBE,CGBE具有广泛的科学价值和基因治疗潜力,但其编辑结果难以预测,而且编辑效率和产品纯度往往较低。


2021年6月28日,刘如谦(David Liu)团队等Nature Biotechnology 期刊发表了题为:Efficient C•G-to-G•C base editors developed using CRISPRi screens, target-library analysis, and machine learning 研究论文。


该研究描述了一套与机器学习模型配套的工程化碱基编辑工具CGBE能够实现高效率、高纯度的C•G到G•C碱基编辑,实现了对CGBE的全面改造升级。

首先研究团队使用针对DNA修复基因的CRISPR干扰(CRISPRi)筛选,确定了影响C•G到G•C编辑结果的因素,在此基础上开发出了多个新的CGBE。然后通过靶点文库分析机器学习,开发出了能够准确预测CGBE编辑结果的预测模型CGBE-Hive



理解和控制基因组编辑实验的结果,是实现有针对性的、精确的基因组操作的重要挑战。


刘如谦 团队的能够研究了颠换碱基编辑的分子决定因素,包括脱氨酶和Cas效应结构域以及许多DNA 修复蛋白的影响,并利用这些发现来设计新的CGBE。
然后,研究团队在哺乳动物细胞中10638个基因组整合目标位点的库中表征了10个有前途的CGBE,并训练了机器学习模型,使用这些数据准确预测编辑结果的纯度和产量。

实验结果表明,这些CGBE能够以>90%的精度 (平均 96%) 和高达70%的效率 (平均 14%) 校正546个与疾病相关的颠换单核苷酸突变 (SNV)。

总的来说,该研究通过使用针对DNA修复基因的CRISPR干扰(CRISPRi)筛选,确定了影响C•G到G•C编辑结果的因素,在此基础上开发出了多个新的CGBE。然后通过靶点文库分析机器学习,开发出了能够准确预测CGBE编辑结果的预测模型CGBE-Hive

这些发现促进了我们对碱基颠换编辑结果的理解,并开发出全面升级的CGBE,这将大大提高碱基编辑技术的范围和效用。


单碱基编辑发展及应用


2016年4月20日,刘如谦等人在 Nature 发表论文,首次可以通过可靠、可预测的方法,实现对细胞基因组中的单个碱基进行修改



2017年10月25日,刘如谦等人进一步升级,开发出了碱基编辑器(Base Editor),将dCas9和TadA(腺嘌呤脱氨酶)整合,能够在不造成DNA双链断裂的情况下,将A-T碱基对转换为G-C碱基对,实现对基因组点突变的定点矫正修复。



许多遗传性疾病是由单个碱基突变导致的,因此,单碱基编辑器的出现,为治疗许多单碱基遗传病提供了强大的方法,刘如谦也因此被 Nature 评为“2017年影响世界十大科学人物”。


2019年3月1日,Science 杂志同期发表两项分别来自中科院神经所杨辉课题组和中科院遗传发育所高彩霞课题组的研究论文,这两篇论文均表明,单碱基编辑器会导致许多不必要的和潜在危险的“脱靶”遗传变化。



这一发现为单碱基编辑的临床应用蒙上了一层阴影。


好在此后不久,刘如谦J. Keith Joung杨辉等各自发表多项研究成果,对单碱基编辑器做了大量改进,大大降低了其脱靶性


2020年2月,刘如谦张锋J. Keith Joung等人联合创立单碱基编辑公司 Beam Therapeutics 在美国纳斯达克成功上市,该公司致力于通过单碱基编辑技术开发遗传病基因疗法。



2020年6月3日,刘如谦等在 Science Translational Medicine 期刊发表封面论文,通过双AAV载体递送单碱基编辑器,成功恢复Tmc1基因隐性突变导致的完全耳聋小鼠的听力。这也是人类首次通过基因编辑技术解决隐性遗传突变导致的遗传疾病



2021年1月6日,刘如谦等人在 Nature 杂志发表研究论文。 通过AAV病毒递送单碱基编辑工具ABE对早衰症小鼠进行基因治疗 ,实验结果表明,ABE能够直接逆转早衰小鼠模型中的致病点突变,明显改善多种症状,仅单次注射就能显著延长小鼠模型寿命,且没有可检测到的脱靶问题。


2021年6月2日,刘如谦等人在 Nature 发表研究论文, 首次通过单碱基编辑技术修复镰状细胞病致病突变


论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41587-021-00938-z


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关键词:
碱基,编辑,刘如谦,突变,CGBE

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