據報道，許多人類疾病都是由基因組DNA中的點突變驅動。隨著基因編輯技術的不斷改進完善，應運而生的單鹼基基因編輯使糾正這些點突變成為了可能，也為疾病治療提供了新選擇。儘管此前David Liu等人的研究已經可以實現單鹼基的自由替換，即C-G鹼基對與T-A鹼基的相互替換。但與最為理想的基因編輯技術相比，單鹼基基因編輯仍然存在諸多缺陷。
理論上，胸腺嘧啶T到胞嘧啶C（T-to-C）突變可以通過單鹼基編輯將C還原為T，如利用胞苷脫氨酶與Cas9或Cpf1（Cas12a）結合的單鹼基編輯器可成功進行靶向鹼基編輯。目前已報道的鹼基編輯系統常用的脫氨酶則是大鼠APOBEC1。但是在分析與疾病相關的T-to-C突變後，科學家發現，這類突變中有43%發生在易被DNA甲基化修飾的CpG二核苷酸位點。尷尬的是基於大鼠APOBEC1的單鹼基編輯器通常會受到DNA甲基化修飾水平的影響，其在高度甲基化區域或GpC環境中鹼基編輯效率相對較低。這也成為眾多鹼基編輯器無法克服的痛點。
為解決這一問題，上海科技大學陳佳課題組、黃行許課題組與中科院馬普計算生物學研究所楊力研究組的研究人員通力合作，開發了新型普適單鹼基編輯器。8月20日，Nature Biotechnology發表了該最新研究成果，文章題為“Efficient base editing in methylated regions with a human APOBEC3A-Cas9 fusion”。
據文章報道，研究團隊開發了一系列基於人胞嘧啶脫氨酶APOBEC的新型普適鹼基編輯器，其中基於人APOBEC3A（hA3A）的鹼基編輯器可高效介導甲基化胞嘧啶mC到胸腺嘧啶T的鹼基編輯，為鹼基編輯系統在基礎研究及未來的臨床應用提供了新方法和新思路。
a：構建多種鹼基編輯器並篩選其在高甲基化區域的編輯效率。b：hA3A-BE3能夠在高甲基化區域進行高效鹼基編輯。
合作團隊認為，既然大鼠APOBEC1脫氨酶會受甲基化的影響，那就先考慮換脫氨酶。他們利用來自10多種物種的APOBEC胞嘧啶脫氨酶構建了一系列鹼基編輯器，都可用於C to T的單鹼基編輯。經過進一步篩選比較後，研究人員發現基於人APOBEC3A的鹼基編輯器（hA3A-BE）可在高甲基化區域實現高效的mC to T的單鹼基編輯。
研究人員表示，hA3A-BE是一種高效普適型鹼基編輯器，可在已檢測的多種環境中實現C或mC to T的高效編輯。通過對人APOBEC3A的改造，研究團隊進一步縮小了hA3A-BE的編輯區間，提高了鹼基編輯的精度。與之前報道的基於大鼠APOBEC1的鹼基編輯器相比，基於人APOBEC3A的新型鹼基編輯器應用範圍更加廣泛。
Cas9鹼基編輯器與Cpf1鹼基編輯器的特點比較
值得注意的是，2017年，該合作團隊就克服了原有鹼基編輯技術保真度較低的缺陷，開發了一種增強型鹼基編輯器，實現了更高精度和更高效率的鹼基編輯。在今年3月，在Nature Biotechnology發表了基於Cpf1（Cas12a）的新型鹼基編輯器研究成果。該鹼基編輯器可在A/T富集區域進行鹼基編輯，在拓展編輯區域的同時，產生的編輯副產物也較少，具有更高的編輯精準度，與現有的基於Cas9的鹼基編輯器實現了有效互補。
圖：由上海科技大學2018屆碩士畢業生袁一中繪製
2017年，鹼基編輯技術被《科學》雜誌評為全球十大年度科學突破之一。單鹼基編輯系統能夠在鹼基水平對基因實現高效的靶向編輯改造。理論上，單鹼基編輯器可對數百種引起人類疾病的單鹼基突變進行定點矯正，可極大地推動疾病模型製備，擁有巨大的臨床應用潛力。
在提高基因編輯準確度與精確度上，各國研究人員都在不懈努力。一提到基因編輯，大多數人的腦海中就會浮現George Church、張鋒、David Liu、Jennifer Doudna等大牛。在國內，同樣有著眾多投身基因編輯研究的領軍人物，如本文提到的陳佳、黃行許、楊力等人，還有黃軍就教授、黃志偉教授、魏文勝教授等都在基因編輯保真度和精確性研究中做出了諸多貢獻。除了基因編輯領域，中國科學家在其他生命科學研究領域中的地位也越來越不容忽視，相信隨著國內精準醫療的發展，在未來的國際精準醫療研究舞臺上也能夠聽到更多的中國聲音。
Efficient base editing in methylated regions with a human APOBEC3A-Cas9 fusion
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