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哈佛大牛2篇Nature:现在,我们可以自由替换DNA碱基了!

Update:2017-10-30From:生物探索 Hot:
  

 


Researcher David Liu's lab at the Broad Institute developed a method of fixing single-letter misspellings in DNA.

 近几年,CRISPR/Cas9基因编辑技术被全球科学家们广泛使用。然而,尽管很容易用它改变基因的功能,但修复点突变一直是个未解的难题。

 


A——腺嘌呤;T——胸腺嘧啶;C——胞嘧啶;G——鸟瞟呤;根据碱基互补配对原则,A与T配对、C与G配对。(图片来源:网络)

点突变是指由单个碱基改变引发的突变,可分为转换和颠换两类。转换是指嘌呤与嘌呤之间,或嘧啶和嘧啶之间的替换;颠换则是指嘌呤和嘧啶之间的替换。其中,转换突变几乎占所有疾病相关点突变的三分之二,一些这类突变还导致了迄今为止还没有治疗手段的严重疾病。

2016年4月,发表在Nature上的一项研究中,Liu教授带领的团队在全球率先发表了可编辑DNA单个碱基的技术——可将DNA中的C转化为U(尿嘧啶,通常存在于RNA中,在DNA中细胞会把它当作T来阅读),也就是实现C•G碱基对向T•A碱基对的转换。不久后,来自日本神户大学的科学家们也在Science杂志上发表了一项类似的成果。

在实现了C•G向T•A的转换后,科学家们自然想到要开发T•A向C•G转换的技术。Liu教授团队最新发表在Nature杂志上的这篇论文中描述的 “新碱基编辑器”ABE(Adenine Base Editor)实现了科学家们的梦想。

工作机制

具体来说,ABE的作用机制是:重排目标腺嘌呤(A)中的原子来“顶替”鸟嘌呤(G),然后“诱骗”细胞修复另一条DNA链以完成碱基对的转换。简单总结来说,ABE的功能就是将A•T碱基对转变为G•C碱基对。

ABE让A•T转变为G•C的这种能力非常重要,因为32,000种与疾病相关的点突变中,约有一半被研究人员鉴定为是从G•C到A•T的转变。此外,值得一提的是,与其它基因编辑技术相比,ABE不仅能高效地纠正点突变,且几乎没有造成可被检测到的任何副产物,如随机插入、删除、易位或其他碱基之间(base-to-base)的转换。

困难之处

对于ABE的成功开发,CRISPR先驱张锋表示:“这个新系统是对基因工程工具箱真正令人兴奋的一个补充。”然而,这份“成果”其实非常来之不易。

开始这个研究项目时,团队已经知道这是非常有风险的,因为,他们要做的第一步就是获得一个并非天然存在的酶。论文的第一作者Nicole M. Gaudelli接受了这个挑战。


Holly Rees, David Liu, and Nicole Gaudelli. (Credit: Casey Atkins)

一开始,Gaudelli使用了一种叫做TadA的酶,它能够将A转变为一种叫做肌苷(inosine,I)的分子。在DNA或RNA合成期间,I起到与G相似的作用。不过,天然的TadA酶只能将RNA中的A转化为I,不能在DNA发挥作用。

为了达到他们的目标,Gaudelli将TadA突变体文库“弄进”细菌细胞中,并且让这些细菌细胞在抗生素存在时,为了存活需要将抗生素抗性基因中的A转换为I。根据这样的设计,能够存活下来的细菌应该编码了具有“将DNA中A转化成为I”这种能力的TadA 突变体。最终,Gaudelli成功获得了她的“理想酶”,并开发出了豪华版的第七代ABEs(ABE7.10)。

ABE7.10非常有效,能够在人类和细菌基因组中将A•T转变为G•C。此外,利用ABE7.10,研究人员在从患者身上获得的细胞中逆转了与遗传学血色病(hereditary hemochromatosis)相关的G-to-A突变。在另一个实验中,ABE7.10插入了一个修复人类细胞血红蛋白基因功能的突变。

Gaudelli说:“对我来说,开发ABE最大的挑战是克服ABE能否从概念变成现实的心理障碍,因为这一碱基编辑器的关键组件并不是天然存在的。我认为,保持信念非常重要。我们要相信,这一分子机器不应该只是一种设想,而是可以被创造出来的。

未来可期


Credit : Image courtesy of Susanna M. Hamilton, Broad Communications

与现在被广泛使用的切割DNA双链的CRISPR/Cas9技术相比,从某种意义上来说,碱基编辑器是更精准的工具。Liu教授说:“CRISPR就像剪刀,而碱基编辑器就像铅笔一样。”看Broad研究所的配图(上图),感觉修改基因,就跟修改错别字似的。

Liu教授表示:“拥有这个分子机器是一个好的的开始。我们正在努力将碱基编辑技术转化为用于人类疾病治疗的疗法”。然而,需要强调的是,虽然ABE的发现是令人振奋的一步,但将碱基编辑真正用于治疗遗传病患者前还需要做很多工作,包括测试安全性、有效性以及副作用。

参考资料

Researchers extend power of gene editing by developing a new class of DNA base editors

Precise DNA editing made easy: New enzyme to rewrite the genome

碱基颠换

相关参考
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