2023年3月3日，中國醫學科學院系統醫學研究院/蘇州系統醫學研究所（簡稱“系統院”）張曉輝團隊與華東師范大學鐘濤、李大力團隊合作在Nature Communications《自然-通訊》雜志上在線發表了題為“Improving adenine and dual base editors through introduction of TadA-8e and Rad51DBD”（通過引入TadA-8e和Rad51DBD改進腺嘌呤和雙堿基編輯器）的研究論文。該研究通過將ABE8e與Rad51 DNA結合域（Rad51DBD）融合，以產生超高活性腺嘌呤堿基編輯器（hyABE）。此外，研究人員還開發了高活性的雙堿基編輯器（eA＆C-BEmax和hyA＆C-BEmax）。這些新開發的堿基編輯器在疾病模型和疾病治療方面展現出巨大潛力。
新一代基因編輯工具——堿基編輯器可實現高效的堿基轉換，為單堿基突變導致的遺傳疾病帶來治愈的希望。目前，堿基編輯器已在基因治療、疾病模型構建、藥物篩選和農作物遺傳育種方面得到廣泛應用。堿基編輯器主要包括ABE（Adenine base editor）和CBE(Cytosine base editor)，可分別在基因組特定位點實現A-to-G和C-to-T轉換。CBE、ABE開發之初存在不同程度的技術缺陷，如效率低、靶向范圍小、產物不純、“鄰近堿基”突變、體積太大、DNA和RNA脫靶等問題。該研究團隊前期已開發出多款克服其技術缺陷的新性能堿基編輯器。然而，目前的ABE在靠近PAM區（protospacer adjacent motif，前間區序列鄰近基序）編輯活性仍然較低，可編輯兩種堿基底物的雙堿基編輯器，因ABE活性低導致A/C同時編輯效率也較低，這極大限制了ABE和A&C-BE的廣泛應用。因此，開發出超高活性的ABE和A&C-BE顯得極為迫切。
研究團隊受到前期開發hyCBEs策略的啟發，在ABE8e基礎上融合Rad51DBD，發現可有效提升其在靠近PAM區的編輯效率，在A10-A15位，hyABE編輯效率高于ABE8e，最高可提高7倍。在一些靶點，hyABE可以編輯ABE8e幾乎無法編輯的位點，且脫靶率仍然保持在較低水平。采用類似策略，研究團隊還進一步開發了高活性雙功能堿基編輯器eA&C-Bemax（enhanced A&C-BEmax）、hyA&C-BEmax（hyperactive A&C-BEmax）。這兩種新型雙堿基編輯器比A&C-BEmax的A/C同時轉換效率提高1.2倍、1.5倍。進一步安全性評價顯示，eA&C-BE和hyA&C-BE與對應的ABE8e和A&C-BE相比，并不展示更高的脫靶效應，由此說明，優化后堿基編輯具有較高的特異性。
研究團隊將開發的hyABE、eA&C-BE和hyA&C-BE應用到β-血紅蛋白病的基因治療中，結果顯示，hyABE，eA&C-BE和hyA&C-BE 展現出較高治療潛力，除此之外，還可用于高效構建斑馬魚疾病動物模型。
圖1：hyABE在β-血紅蛋白病的基因治療潛力
圖2：新性能堿基編輯器有效產生斑馬魚疾病動物模型
綜上，hyABE在PAM區附近，提高了A-to-G編輯效率，eA&C-BEmax和hyA&C-BEmax顯著提高了A/C同時轉換效率。這些新的堿基編輯工具可用于基因治療和疾病動物模型構建，進一步豐富了堿基編輯工具箱，有助于在基礎研究和臨床治療應用中實現更為精準的基因編輯。
系統院張曉輝研究員，華東師范大學鐘濤教授、李大力教授為本文通訊作者。華東師范大學生命科學學院2020級碩士研究生薛念念、2021級博士研究生劉旭、博士后張丹，系統所2022級博士研究生吳友明為該論文的共同第一作者。該研究獲得國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國醫學科學院醫學與健康科技創新工程（2022-I2M-1-024，2022-I2M-2-004）等項目支持。
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https://doi.org/10.1038/s41467-023-36887-1
