6月16日，華東師范大學生命科學學院教授李大力團隊在《自然-生物技術》發表論文，報道了一系列新型腺嘌呤顛換編輯工具（AXBEs和ACBEs），并證明了ACBEs在不同細胞系與小鼠胚胎中的高效性與精確性，其中產生的小鼠疾病模型等位基因突變高達100%。這為多元化的遺傳操作和人類第二大類單核苷酸變異（SNVs）的基因治療提供新工具。
腺嘌呤堿基顛換原理圖。華東師大供圖
人類的遺傳疾病主要由基因突變造成，并且約58%為單堿基突變。目前，不依賴DNA雙鏈斷裂和模板參與的單堿基編輯器是治療遺傳病強有力的基因編輯工具。現有的堿基編輯技術（CBEs、CGBEs、GBEs和ABEs）可實現胞嘧啶轉換/顛換編輯以及腺嘌呤的轉換突變。然而，仍有25%的人類單堿基突變遺傳疾病需要精準的腺嘌呤顛換編輯（A-to-C或A-to-T）才能糾正，因此開發高效精準的腺嘌呤堿基編輯器具有重要意義。
堿基轉換可通過堿基脫氨實現，而堿基顛換則需要依賴無嘌呤無嘧啶（AP）位點的創建，隨后進行堿基切除修復途徑而完成。鑒于內源糖苷酶低效的肌苷切除修復能力，研究人員希望尋找其他可將肌苷作為催化底物的酶。研究人員嘗試將9種體外具有潛在肌苷切除活性的酶與腺苷脫氨酶融合，結果發現小鼠來源的烷基腺苷DNA糖苷酶（mAAG）可實現8.7%的堿基顛換，并且大鼠、枯草芽孢桿菌來源的融合構建體也觀察到了一定的腺嘌呤顛換突變。
經過大量內源性靶點評價以及體外酶活實驗發現，AXBE具有某種堿基背景序列偏好性。通過依賴性/非依賴性DNA水平脫靶評估及轉錄組水平脫靶檢測發現，相比于傳統系統，AXBE的脫靶明顯降低，尤其是在RNA水平上降低了90%。
為增加腺嘌呤顛換編輯效率并拓展靶向范圍，研究人員基于結構導向的理性設計和篩選鑒定出兩個關鍵突變，極大提高了對其底物肌苷切除的活性，有效改善了顛換編輯的序列背景選擇性。此外，該突變可廣泛地靶向基因組，擴大應用范圍。
“該研究通過篩選發現融合小鼠來源的烷基腺苷DNA糖苷酶的腺嘌呤顛換編輯器，可在特定序列中實現腺嘌呤的顛換，進一步的分子進化使得編輯最高可達73%。AXBEs帶來豐富的密碼子和氨基酸改變，未來將更適用于分子進化、遺傳篩選、譜系示蹤等應用。”李大力解釋說，“這表明其糾正人類第二大類致病性SNVs的治療前景，另外ACBEs還可以作為獨特的工具來探索與胸腺嘧啶相對的特定位點修復機制。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41587-023-01821-9
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記者丨張雙虎 黃辛
來源丨科學網
編輯丨趙一航
編審丨戴琪
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