中国科学家在基因编辑领域取得重大突破,高度甲基化区域也能高效编辑

据报道，许多人类疾病都是由基因组DNA中的点突变驱动。随着基因编辑技术的不断改进完善，应运而生的单碱基基因编辑使纠正这些点突变成为了可能，也为疾病治疗提供了新选择。尽管此前David Liu等人的研究已经可以实现单碱基的自由替换，即C-G碱基对与T-A碱基的相互替换。但与最为理想的基因编辑技术相比，单碱基基因编辑仍然存在诸多缺陷。

理论上，胸腺嘧啶T到胞嘧啶C（T-to-C）突变可以通过单碱基编辑将C还原为T，如利用胞苷脱氨酶与Cas9或Cpf1（Cas12a）结合的单碱基编辑器可成功进行靶向碱基编辑。目前已报道的碱基编辑系统常用的脱氨酶则是大鼠APOBEC1。但是在分析与疾病相关的T-to-C突变后，科学家发现，这类突变中有43%发生在易被DNA甲基化修饰的CpG二核苷酸位点。尴尬的是基于大鼠APOBEC1的单碱基编辑器通常会受到DNA甲基化修饰水平的影响，其在高度甲基化区域或GpC环境中碱基编辑效率相对较低。这也成为众多碱基编辑器无法克服的痛点。

为解决这一问题，上海科技大学陈佳课题组、黄行许课题组与中科院马普计算生物学研究所杨力研究组的研究人员通力合作，开发了新型普适单碱基编辑器。8月20日，Nature Biotechnology发表了该最新研究成果，文章题为“Efficient base editing in methylated regions with a human APOBEC3A-Cas9 fusion”。

据文章报道，研究团队开发了一系列基于人胞嘧啶脱氨酶APOBEC的新型普适碱基编辑器，其中基于人APOBEC3A（hA3A）的碱基编辑器可高效介导甲基化胞嘧啶mC到胸腺嘧啶T的碱基编辑，为碱基编辑系统在基础研究及未来的临床应用提供了新方法和新思路。

a：构建多种碱基编辑器并筛选其在高甲基化区域的编辑效率。b)：hA3A-BE3能够在高甲基化区域进行高效碱基编辑。

合作团队认为，既然大鼠APOBEC1脱氨酶会受甲基化的影响，那就先考虑换脱氨酶。他们利用来自10多种物种的APOBEC胞嘧啶脱氨酶构建了一系列碱基编辑器，都可用于C to T的单碱基编辑。经过进一步筛选比较后，研究人员发现基于人APOBEC3A的碱基编辑器（hA3A-BE）可在高甲基化区域实现高效的mC to T的单碱基编辑。

研究人员表示，hA3A-BE是一种高效普适型碱基编辑器，可在已检测的多种环境中实现C或mC to T的高效编辑。通过对人APOBEC3A的改造，研究团队进一步缩小了hA3A-BE的编辑区间，提高了碱基编辑的精度。与之前报道的基于大鼠APOBEC1的碱基编辑器相比，基于人APOBEC3A的新型碱基编辑器应用范围更加广泛。

Cas9碱基编辑器与Cpf1碱基编辑器的特点比较

值得注意的是，2017年，该合作团队就克服了原有碱基编辑技术保真度较低的缺陷，开发了一种增强型碱基编辑器，实现了更高精度和更高效率的碱基编辑。在今年3月，在Nature Biotechnology发表了基于Cpf1（Cas12a）的新型碱基编辑器研究成果。该碱基编辑器可在A/T富集区域进行碱基编辑，在拓展编辑区域的同时，产生的编辑副产物也较少，具有更高的编辑精准度，与现有的基于Cas9的碱基编辑器实现了有效互补。

图：由上海科技大学2018届硕士毕业生袁一中绘制

2017年，碱基编辑技术被《科学》杂志评为全球十大年度科学突破之一。单碱基编辑系统能够在碱基水平对基因实现高效的靶向编辑改造。理论上，单碱基编辑器可对数百种引起人类疾病的单碱基突变进行定点矫正，可极大地推动疾病模型制备，拥有巨大的临床应用潜力。

在提高基因编辑准确度与精确度上，各国研究人员都在不懈努力。一提到基因编辑，大多数人的脑海中就会浮现George Church、张锋、David Liu、Jennifer Doudna等大牛。在国内，同样有着众多投身基因编辑研究的领军人物，如本文提到的陈佳、黄行许、杨力等人，还有黄军就教授、黄志伟教授、魏文胜教授等都在基因编辑保真度和精确性研究中做出了诸多贡献。除了基因编辑领域，中国科学家在其他生命科学研究领域中的地位也越来越不容忽视，相信随着国内精准医疗的发展，在未来的国际精准医疗研究舞台上也能够听到更多的中国声音。

参考资料：

Efficient base editing in methylated regions with a human APOBEC3A-Cas9 fusion（转化医学网360zhyx.com）