發(fā)布日期：2017-10-26
當(dāng)我們?cè)谡務(wù)撋鼤r(shí)，我們談?wù)摰亩际腔瘜W(xué)分子。DNA也好，蛋白質(zhì)也罷，正是這些生物大分子發(fā)生的原子重排，才催生出無數(shù)生化反應(yīng)，為地球帶來生命。
本研究的主要負(fù)責(zé)人David Liu教授（圖片來源：Broad研究所）
今日，Broad研究所的華人學(xué)者David Liu教授公布了一項(xiàng)了不起的研究！他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種“堿基編輯器”，能在細(xì)胞內(nèi)用簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，使DNA的一種堿基進(jìn)行原子重排，讓它變成另一種堿基。與CRISPR-Cas9等流行的基因編輯手段不同，這種技術(shù)無需使DNA斷裂，就能完成基因的精準(zhǔn)編輯。這項(xiàng)研究發(fā)表在了頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
將近一半的致病變異來源于C-G組合到A-T組合的改變（圖片來源：《自然》）
要看懂這項(xiàng)研究，我們先來看看DNA本身。我們知道，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)由4種堿基：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）與鳥嘌呤（G）組成。它們A和T配對(duì)，C和G配對(duì)，就像字母一樣，編寫了人類的遺傳信息。然而由于化學(xué)結(jié)構(gòu)的問題，C這個(gè)字母不大穩(wěn)定，容易出現(xiàn)自發(fā)的脫氨突變，把原本的好好的C-G組合，變成A-T組合。據(jù)估計(jì)，每天人類的每個(gè)細(xì)胞里都會(huì)出現(xiàn)100-500次這樣的突變。而人類已知的致病單堿基變異，高達(dá)一半屬于這種突變。
合適的脫氨反應(yīng)能將腺嘌呤轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)類似于鳥嘌呤的肌苷（圖片來源：《自然》）
換句話說，如果我們能定點(diǎn)修復(fù)這些基因突變，把A-T變回C-G，就有望從根源上糾正人類的許多遺傳疾病。這正是Liu教授團(tuán)隊(duì)的研究思路。在實(shí)驗(yàn)室中，他們觀察到了一個(gè)很有意思的現(xiàn)象——腺嘌呤（A）在出現(xiàn)脫氨反應(yīng)后，會(huì)變成一種叫做肌苷的分子，而它與鳥嘌呤（G）的結(jié)構(gòu)非常接近，也能成功騙過細(xì)胞里的DNA聚合酶。簡(jiǎn)單的幾輪DNA復(fù)制后，A-T組合就能變回C-G。
但科學(xué)家們遇到一個(gè)棘手的問題——自然界中并沒有能夠在DNA中催化腺嘌呤進(jìn)行脫氨反應(yīng)的酶。
如果沒有現(xiàn)成的道路，那就開辟一條！在人體中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種叫做TadA的酶，它能催化轉(zhuǎn)運(yùn)RNA上的腺嘌呤（A），使它脫氨。盡管催化的對(duì)象不同，但Liu教授的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為它有足夠的應(yīng)用潛力。于是，利用演化的力量，科學(xué)家們對(duì)TadA進(jìn)行了改造。他們將編碼TadA的基因引入大腸桿菌內(nèi)，并寄希望于這種酶能在大腸桿菌快速的繁衍中，突變出催化DNA腺嘌呤的能力。
本研究中，堿基編輯器的作用機(jī)理（圖片來源：《自然》）
同時(shí)，科學(xué)家們也想到，DNA上的腺嘌呤特別多，總不能把他們?nèi)嫁D(zhuǎn)化為鳥嘌呤吧。因此，特異性地對(duì)某個(gè)堿基進(jìn)行催化，是這套系統(tǒng)邁入實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。Liu教授想到了自己的實(shí)驗(yàn)室鄰居張鋒教授，這名華人學(xué)者以CRISPR基因編輯技術(shù)而聞名于世。如果我們借助CRISPR-Cas9系統(tǒng)的精準(zhǔn)，但不讓它切開雙鏈DNA，或許就能定點(diǎn)對(duì)腺嘌呤進(jìn)行原子重排，讓它變成另一種堿基。為此，科學(xué)家們?cè)诤Y選TadA酶的過程中，也同樣引入了一套切不動(dòng)DNA的特殊CRISPR-Cas9系統(tǒng)，用于精準(zhǔn)定位。
功夫不負(fù)有心人！這套系統(tǒng)雖然極為復(fù)雜，但在經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的7代篩選后，Liu教授團(tuán)隊(duì)終于開發(fā)出了一款全新的“堿基編輯器”，其核心正是能有效針對(duì)DNA的TadA酶。無論是在細(xì)菌里，還是在人類細(xì)胞中，這款編輯器都能順利發(fā)揮作用。在人類細(xì)胞里，它的編輯效率超過了50%！
這套系統(tǒng)能有效用于人類細(xì)胞（圖片來源：《自然》）
盡管這套系統(tǒng)利用了CRISPR-Cas9系統(tǒng)，但科學(xué)家們?cè)谶@篇論文里指出，他們開發(fā)的技術(shù)與CRISPR-Cas9系統(tǒng)各有千秋。在矯正單堿基突變方面，它比CRISPR-Cas9系統(tǒng)更為有效，也更“干凈”。它幾乎沒有引起任何隨機(jī)插入和刪除等突變，在全基因組里的脫靶效應(yīng)也要好于CRISPR-Cas9技術(shù)。要知道，這可是人們對(duì)CRISPR-Cas9技術(shù)安全性的最大擔(dān)憂之一。
先前，研究人員們也同樣開發(fā)了編輯其他堿基的方法。目前，Liu教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有了把C變成T，把A變成G，把T變成C，以及把G變成A的工具。誠然，這些工具目前距離人類臨床應(yīng)用還有不小的距離。但要知道，它只涉及堿基的原子重排，無需讓DNA雙鏈斷裂，從而降低了基因治療過程中的風(fēng)險(xiǎn)。此外，許多遺傳病都是單基因突變，用這些工具進(jìn)行治療也顯得更為有的放矢。
我們感謝Liu教授的團(tuán)隊(duì)為我們帶來如此令人興奮的基因編輯新工具。毫無疑問，基因編輯的時(shí)代已經(jīng)到來，你準(zhǔn)備好迎接沖擊了嗎？
參考資料
[1] Programmable base editing of A?T to G?C in genomic DNA without DNA cleavage
來源：學(xué)術(shù)經(jīng)緯
