發(fā)布日期：2017-10-26
當我們在談論生命時，我們談論的都是化學分子。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，為地球帶來生命。
本研究的主要負責人David Liu教授（圖片來源：Broad研究所）
今日，Broad研究所的華人學者David Liu教授公布了一項了不起的研究！他的團隊開發(fā)了一種“堿基編輯器”，能在細胞內(nèi)用簡單的化學反應，使DNA的一種堿基進行原子重排，讓它變成另一種堿基。與CRISPR-Cas9等流行的基因編輯手段不同，這種技術無需使DNA斷裂，就能完成基因的精準編輯。這項研究發(fā)表在了頂尖學術期刊《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》）
要看懂這項研究，我們先來看看DNA本身。我們知道，DNA的雙螺旋結構由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，C和G配對，就像字母一樣，編寫了人類的遺傳信息。然而由于化學結構的問題，C這個字母不大穩(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，每天人類的每個細胞里都會出現(xiàn)100-500次這樣的突變。而人類已知的致病單堿基變異，高達一半屬于這種突變。
合適的脫氨反應能將腺嘌呤轉變?yōu)榻Y構類似于鳥嘌呤的肌苷（圖片來源：《自然》）
換句話說，如果我們能定點修復這些基因突變，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教授團隊的研究思路。在實驗室中，他們觀察到了一個很有意思的現(xiàn)象——腺嘌呤（A）在出現(xiàn)脫氨反應后，會變成一種叫做肌苷的分子，而它與鳥嘌呤（G）的結構非常接近，也能成功騙過細胞里的DNA聚合酶。簡單的幾輪DNA復制后，A-T組合就能變回C-G。
但科學家們遇到一個棘手的問題——自然界中并沒有能夠在DNA中催化腺嘌呤進行脫氨反應的酶。
如果沒有現(xiàn)成的道路，那就開辟一條！在人體中，科學家們發(fā)現(xiàn)了一種叫做TadA的酶，它能催化轉運RNA上的腺嘌呤（A），使它脫氨。盡管催化的對象不同，但Liu教授的團隊認為它有足夠的應用潛力。于是，利用演化的力量，科學家們對TadA進行了改造。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理（圖片來源：《自然》）
同時，科學家們也想到，DNA上的腺嘌呤特別多，總不能把他們?nèi)嫁D化為鳥嘌呤吧。因此，特異性地對某個堿基進行催化，是這套系統(tǒng)邁入實際應用的關鍵。Liu教授想到了自己的實驗室鄰居張鋒教授，這名華人學者以CRISPR基因編輯技術而聞名于世。如果我們借助CRISPR-Cas9系統(tǒng)的精準，但不讓它切開雙鏈DNA，或許就能定點對腺嘌呤進行原子重排，讓它變成另一種堿基。為此，科學家們在篩選TadA酶的過程中，也同樣引入了一套切不動DNA的特殊CRISPR-Cas9系統(tǒng)，用于精準定位。
功夫不負有心人！這套系統(tǒng)雖然極為復雜，但在經(jīng)歷了漫長的7代篩選后，Liu教授團隊終于開發(fā)出了一款全新的“堿基編輯器”，其核心正是能有效針對DNA的TadA酶。無論是在細菌里，還是在人類細胞中，這款編輯器都能順利發(fā)揮作用。在人類細胞里，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)，但科學家們在這篇論文里指出，他們開發(fā)的技術與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插入和刪除等突變，在全基因組里的脫靶效應也要好于CRISPR-Cas9技術。要知道，這可是人們對CRISPR-Cas9技術安全性的最大擔憂之一。
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教授的團隊已經(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險。此外，許多遺傳病都是單基因突變，用這些工具進行治療也顯得更為有的放矢。
我們感謝Liu教授的團隊為我們帶來如此令人興奮的基因編輯新工具。毫無疑問，基因編輯的時代已經(jīng)到來，你準備好迎接沖擊了嗎？
參考資料
[1] Programmable base editing of A?T to G?C in genomic DNA without DNA cleavage
來源：學術經(jīng)緯
