劉如謙全面升級單鹼基編輯器, 補齊單鹼基編輯短板, 為更多遺傳病治療帶來新工具

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單鹼基突變

，佔據了人類已知的致病基因突變的一半以上，

鹼基編輯器

（Base Editor）是由可程式設計 DNA 結合蛋白與鹼基修飾酶融合，在不導致DNA雙鏈斷裂的情況下，實現精確修改基因組中的單個鹼基。

在2016年和2017年，

劉如謙

（David Liu）團隊先後開發了

胞嘧啶鹼基編輯器

（CBE），能夠將C•G轉換為T•A，以及

腺嘌呤鹼基編輯器

（ABE），能夠將A•T轉換為G•C，這也是目前的兩大類鹼基編輯器。然而，對於C•G到G•C的鹼基顛換突變，CBE和ABE通常束手無策。

2020年7月20日，

Nature Biotechnology

同期發表兩篇論文，報道了可實現C•G轉換為G•C的鹼基編輯新工具——

CGBE

，CGBE具有廣泛的科學價值和基因治療潛力，但其編輯結果難以預測，而且編輯效率和產品純度往往較低。

2021年6月28日，

劉如謙

（David Liu）團隊等在

Nature Biotechnology

期刊發表了題為：Efficient C•G-to-G•C base editors developed using CRISPRi screens， target-library analysis， and machine learning研究論文。

該研究描述了一套與

機器學習

模型配套的工程化鹼基編輯工具

CGBE

，

能夠實現高效率、高純度的C•G到G•C鹼基編輯，實現了對CGBE的全面改造升級。

首先研究團隊使用針對DNA修復基因的

CRISPR干擾

（CRISPRi）篩選，確定了影響C•G到G•C編輯結果的因素，在此基礎上開發出了多個新的CGBE。然後透過

靶點文庫分析

和

機器學習

，開發出了能夠準確預測CGBE編輯結果的預測模型

CGBE-Hive

。

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理解和控制基因組編輯實驗的結果，是實現有針對性的、精確的基因組操作的重要挑戰。

劉如謙

團隊的能夠研究了顛換鹼基編輯的分子決定因素，包括脫氨酶和Cas效應結構域以及許多DNA 修復蛋白的影響，並利用這些發現來設計新的CGBE。然後，研究團隊在哺乳動物細胞中10638個基因組整合目標位點的庫中表徵了10個有前途的CGBE，並訓練了機器學習模型，使用這些資料準確預測編輯結果的純度和產量。實驗結果表明，這些CGBE能夠以>90%的精度（平均 96%）和高達70%的效率（平均 14%）校正546個與疾病相關的顛換單核苷酸突變（SNV）。總的來說，該研究透過使用針對DNA修復基因的

CRISPR干擾

（CRISPRi）篩選，確定了影響C•G到G•C編輯結果的因素，在此基礎上開發出了多個新的CGBE。然後透過

靶點文庫分析

和

機器學習

，開發出了能夠準確預測CGBE編輯結果的預測模型

CGBE-Hive

。

這些發現促進了我們對鹼基顛換編輯結果的理解，並開發出全面升級的CGBE，這將大大提高鹼基編輯技術的範圍和效用。

單鹼基編輯發展及應用

2016年4月20日，

劉如謙

等人在

Nature

發表論文，

首次可以透過可靠、可預測的方法，實現對細胞基因組中的單個鹼基進行修改

。

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2017年10月25日，

劉如謙

等人進一步升級，開發出了

鹼基編輯器

（Base Editor），將dCas9和TadA（腺嘌呤脫氨酶）整合，

能夠在不造成DNA雙鏈斷裂的情況下，將A-T鹼基對轉換為G-C鹼基對，實現對基因組點突變的定點矯正修復。

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許多遺傳性疾病是由單個鹼基突變導致的，因此，單鹼基編輯器的出現，為治療許多單鹼基遺傳病提供了強大的方法，

劉如謙

也因此被

Nature

評為“2017年影響世界十大科學人物”。

2019年3月1日，

Science

雜誌同期發表兩項分別來自中科院神經所

楊輝

課題組和中科院遺傳發育所

高彩霞

課題組的研究論文，這兩篇論文均表明，

單鹼基編輯器會導致許多不必要的和潛在危險的“脫靶”遺傳變化。

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這一發現為單鹼基編輯的臨床應用蒙上了一層陰影。

好在此後不久，

劉如謙

、

J. Keith Joung

、

楊輝

等各自發表多項研究成果，

對單鹼基編輯器做了大量改進，大大降低了其脫靶性

。

2020年2月，

劉如謙

、

張鋒

、

J. Keith Joung

等人聯合創立單鹼基編輯公司

Beam Therapeutics

在美國納斯達克成功上市，該公司致力於透過單鹼基編輯技術開發遺傳病基因療法。

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2020年6月3日，

劉如謙

等在

Science Translational Medicine

期刊發表封面論文，透過

雙AAV載體遞送單鹼基編輯器

，成功恢復Tmc1基因隱性突變導致的完全耳聾小鼠的聽力。這也是

人類首次透過基因編輯技術解決隱性遺傳突變導致的遺傳疾病

。

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2021年1月6日，

劉如謙

等人在

Nature

雜誌發表研究論文。

透過AAV病毒遞送單鹼基編輯工具ABE對早衰症小鼠進行基因治療

，實驗結果表明，ABE能夠直接逆轉早衰小鼠模型中的致病點突變，明顯改善多種症狀，僅單次注射就能顯著延長小鼠模型壽命，且沒有可檢測到的脫靶問題。

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2021年6月2日，

劉如謙

等人在

Nature

發表研究論文，

首次透過單鹼基編輯技術修復鐮狀細胞病致病突變

。

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