读创/深圳商报记者 张妍 通讯员 赵华
A(腺嘌呤)、G(鸟嘌呤)、C(胞嘧啶)、T(胸腺嘧啶),4个字母代表的4个碱基,书写了人类生命的密码。
▲ DNA双螺旋结构
可并不是每个人生命密码的书写都“循规蹈矩”,总有些“脱轨”的会造成各种恶样的单基因遗传病。目前已知单基因遗传病达7000多种,且每年在以10至50种速度递增,较常见的有地中海贫血病、白化病、红绿色盲等。
基因编辑近年来被视为单基因遗传病治疗的新策略,国内外数几十项临床实验正在进行,目前在全球临床实验网站注册的就有33项。
▲ 论文发表截图
5月18日晚北京时间23时许,全球方法学领域权威杂志《自然-方法学》在线发表了中国农科院深圳农业基因组研究所左二伟研究组最新成果“Arationallyengineeredcytosinebaseeditorretainshighon-targetactivitywhilereducingbothDNAandRNAoff-targeteffects”。科研人员研发了一种高精度、高活性单碱基编辑工具,与目前经典的编辑工具相比,基因编辑效率提高约30%,脱靶效应降低十几倍。
该研究得到国家自然科学基金委,中国农科院和深圳市资助。由左二伟研究组与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心杨辉研究组和中国科学院上海营养与健康研究所隶属于的计算生物学研究所(中国科学院-马普学会计算生物学研究所)李亦学研究组合作完成。基因组所为第一完成单位,左二伟、杨辉和李亦学为共同通讯作者,中科院分子细胞卓越创新中心孙怡迪博士、中国农科院基因组所助理研究员袁堂龙、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心贺冰冰和周昌阳博士为共同第一作者。
基因是具有遗传效应的DNA片段。DNA是由4个碱基组成的双螺旋结构。基因编辑是通过基因编辑工具,按照人们期望的样子在基因组中对DNA序列进行插入、删除、修改或替换的一项技术。近年来,科研人员的不断努力精度不断提高,基因编辑技术从最初的更改字符串,发展到更改单个字符的单碱基编辑技术。
尽管单碱基边际技术2016年4月被报道以来,迅速成为基因编辑技术领域的“明星”,但它仍不完美。
“单碱基编辑工具中的脱氨酶,本身具有与单链DNA和RNA的结合能力。”左二伟表示,脱氨酶较为“随性”,会带着单碱基编辑工具在自己喜欢的基因组或者转录组位置,与单链DNA和RNA结合,并利用自身酶催化活性,产生碱基突变,也就是常说的脱靶效应。
▲ 左二伟研究员
2019年3月,左二伟团队与合作者曾在国际顶尖学术期刊《科学》上发表了一篇重大科研成果,研发出一种GOTI新检测方法,能检测到单碱基编辑工具会导致大量完全随机、不可预测的脱靶效应,并证明这些脱靶效应是由脱氨酶所导致。基于这些重要发现,该项成果入选“2019年中国生命科学十大进展”。
如何“驯服”这些“随性”的脱氨酶呢?科研人员利用GOTI技术所提供的强大检测能力,通过结构生物学技术预测出脱氨酶与单链DNA和RNA结合的媒介物——重要氨基酸,在这些氨基酸位置构建多种突变体,以期降低甚至消除了脱氨酶核酸结合能力在保证基因编辑效率的情况下,降低甚至消除了脱氨酶核酸结合能力。
左二伟说,在全新一代脱靶效应检测工具GOTI支持下,根据结构生物学预测结果,我们筛选出精度高,效率好的单碱基编辑工具。进而因此有望突破安全瓶颈,推动基因编辑临床化应用,让单碱基编辑工具应用于遗传疾病基因治疗。