2023年3月3日，中国医学科学院系统医学研究院/苏州系统医学研究所（简称“系统院”）张晓辉团队与华东师范大学钟涛、李大力团队合作在Nature Communications《自然-通讯》杂志上在线发表了题为“Improving adenine and dual base editors through introduction of TadA-8e and Rad51DBD”（通过引入TadA-8e和Rad51DBD改进腺嘌呤和双碱基编辑器）的研究论文。该研究通过将ABE8e与Rad51 DNA结合域（Rad51DBD）融合，以产生超高活性腺嘌呤碱基编辑器（hyABE）。此外，研究人员还开发了高活性的双碱基编辑器（eA＆C-BEmax和hyA＆C-BEmax）。这些新开发的碱基编辑器在疾病模型和疾病治疗方面展现出巨大潜力。
新一代基因编辑工具——碱基编辑器可实现高效的碱基转换，为单碱基突变导致的遗传疾病带来治愈的希望。目前，碱基编辑器已在基因治疗、疾病模型构建、药物筛选和农作物遗传育种方面得到广泛应用。碱基编辑器主要包括ABE（Adenine base editor）和CBE(Cytosine base editor)，可分别在基因组特定位点实现A-to-G和C-to-T转换。CBE、ABE开发之初存在不同程度的技术缺陷，如效率低、靶向范围小、产物不纯、“邻近碱基”突变、体积太大、DNA和RNA脱靶等问题。该研究团队前期已开发出多款克服其技术缺陷的新性能碱基编辑器。然而，目前的ABE在靠近PAM区（protospacer adjacent motif，前间区序列邻近基序）编辑活性仍然较低，可编辑两种碱基底物的双碱基编辑器，因ABE活性低导致A/C同时编辑效率也较低，这极大限制了ABE和A&C-BE的广泛应用。因此，开发出超高活性的ABE和A&C-BE显得极为迫切。
研究团队受到前期开发hyCBEs策略的启发，在ABE8e基础上融合Rad51DBD，发现可有效提升其在靠近PAM区的编辑效率，在A10-A15位，hyABE编辑效率高于ABE8e，最高可提高7倍。在一些靶点，hyABE可以编辑ABE8e几乎无法编辑的位点，且脱靶率仍然保持在较低水平。采用类似策略，研究团队还进一步开发了高活性双功能碱基编辑器eA&C-Bemax（enhanced A&C-BEmax）、hyA&C-BEmax（hyperactive A&C-BEmax）。这两种新型双碱基编辑器比A&C-BEmax的A/C同时转换效率提高1.2倍、1.5倍。进一步安全性评价显示，eA&C-BE和hyA&C-BE与对应的ABE8e和A&C-BE相比，并不展示更高的脱靶效应，由此说明，优化后碱基编辑具有较高的特异性。
研究团队将开发的hyABE、eA&C-BE和hyA&C-BE应用到β-血红蛋白病的基因治疗中，结果显示，hyABE，eA&C-BE和hyA&C-BE 展现出较高治疗潜力，除此之外，还可用于高效构建斑马鱼疾病动物模型。
图1：hyABE在β-血红蛋白病的基因治疗潜力
图2：新性能碱基编辑器有效产生斑马鱼疾病动物模型
综上，hyABE在PAM区附近，提高了A-to-G编辑效率，eA&C-BEmax和hyA&C-BEmax显著提高了A/C同时转换效率。这些新的碱基编辑工具可用于基因治疗和疾病动物模型构建，进一步丰富了碱基编辑工具箱，有助于在基础研究和临床治疗应用中实现更为精准的基因编辑。
系统院张晓辉研究员，华东师范大学钟涛教授、李大力教授为本文通讯作者。华东师范大学生命科学学院2020级硕士研究生薛念念、2021级博士研究生刘旭、博士后张丹，系统所2022级博士研究生吴友明为该论文的共同第一作者。该研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国医学科学院医学与健康科技创新工程（2022-I2M-1-024，2022-I2M-2-004）等项目支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-36887-1
