喬治·丘奇最新論文：定向進(jìn)化出更精準(zhǔn)、高效的堿基編輯器

撰文丨王聰

編輯丨王多魚(yú)

排版丨水成文

堿基編輯器（base editor）能夠在不造成 DNA 雙鏈斷裂的情況下，實(shí)現(xiàn)單個(gè)堿基的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。這種新一代基因編輯技術(shù)理論上可以糾正大多數(shù)已知的人類(lèi)致病性單堿基突變，在治療遺傳疾病方面展現(xiàn)出巨大潛力。

然而，堿基編輯器中的脫氨酶在作用時(shí)，不僅會(huì)修改目標(biāo)堿基，還可能對(duì)編輯窗口內(nèi)的其他堿基進(jìn)行修改，這就是所謂的“旁觀者編輯”（bystander editing），這引發(fā)了人們對(duì)于堿基編輯技術(shù)在臨床應(yīng)用中的可行性和安全性的深刻擔(dān)憂。

盡管研究人員已經(jīng)嘗試了多種策略來(lái)減少旁觀者編輯，包括理性設(shè)計(jì)縮小編輯窗口的脫氨酶、改進(jìn)向?qū)NA（gRNA）等，但這些方法往往以犧牲編輯效率為代價(jià)，且效果高度依賴于序列上下文。

2025 年 12 月 19 日，哈佛大學(xué)喬治·丘奇團(tuán)隊(duì)在Nature Biotechnology期刊發(fā)表了題為：Engineered base editors with reduced bystander editing through directed evolution 的研究論文。

該研究提出了一種多管齊下的方法，通過(guò)優(yōu)化 gRNA 和脫氨酶來(lái)最小化旁觀者編輯以提高堿基編輯精度，同時(shí)不犧牲其編輯效率。該研究建立了一個(gè)可擴(kuò)展的堿基編輯器精準(zhǔn)工程框架，解決了基因組編輯應(yīng)用面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

要想充分發(fā)揮堿基編輯在治療應(yīng)用中的全部潛力，就需要開(kāi)發(fā)一種強(qiáng)大且靈活的方法來(lái)設(shè)計(jì)新的堿基編輯策略，同時(shí)實(shí)現(xiàn)編輯的高效性和精準(zhǔn)性。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種多管齊下的方法來(lái)設(shè)計(jì)新型堿基編輯系統(tǒng)，還系統(tǒng)在體外能保持高效率的同時(shí)將旁觀者編輯降至最低。該策略整合了三種互補(bǔ)技術(shù)——

1）通過(guò)工程改造 gRNA 來(lái)減少旁觀者編輯；

2）利用噬菌體輔助非連續(xù)進(jìn)化（PANCE）技術(shù)選擇性地進(jìn)化出具有更高精度的堿基編輯器；

3）借助蛋白質(zhì)語(yǔ)言模型（PLM）理性設(shè)計(jì)具有優(yōu)化活性的脫氨酶。

為了對(duì) gRNA 進(jìn)行工程改造，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并測(cè)試了一個(gè)包含約 60000 種不同 3' 端延伸的 sgRNA 庫(kù)，即錨定向?qū)?RNA（anchor-guide RNA，agRNA），以提高腺嘌呤堿基編輯器（ABE）的精度。從該庫(kù)篩選出最有前景的 agRNA 候選者，然后將其作為噬菌體輔助非連續(xù)進(jìn)化（PANCE）系統(tǒng)的一部分，以進(jìn)化出更精確的 TadA-8e 酶。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種巧妙的篩選回路，將堿基編輯活性與噬菌體復(fù)制能力關(guān)聯(lián)，只有當(dāng)堿基編輯其進(jìn)在目標(biāo)位點(diǎn)精確編輯（而非旁觀者編輯）時(shí)，噬菌體才能有效復(fù)制，這種設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一種雙重選擇壓力，促進(jìn)了堿基編輯器向更精準(zhǔn)的方向進(jìn)化，并成功鑒定出了幾個(gè)編輯窗口更窄的變體。值得注意的是，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò) PANCE 進(jìn)化得到的V28C變體在目標(biāo)位點(diǎn)的編輯效率顯著提高，同時(shí)旁觀者編輯顯著減少。對(duì)約 12000 個(gè)致病突變的編輯模式進(jìn)行分析表明，在測(cè)試位點(diǎn)上，V28C 的精度約為 ABE8e 的兩到三倍，效率提高了約 20%。

為了進(jìn)一步優(yōu)化堿基編輯器的精度和效率，研究團(tuán)隊(duì)利用蛋白質(zhì)語(yǔ)言模型（PLM）來(lái)預(yù)測(cè)可提高 TadA-8e 脫氨酶精度和效率的突變，在預(yù)測(cè)的 21 個(gè)可能有益的突變中，M151E突變?cè)趯?shí)驗(yàn)驗(yàn)證中顯著縮小了編輯窗口，同時(shí)提高了目標(biāo)位點(diǎn)的編輯效率。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這些堿基編輯器的性能，研究團(tuán)隊(duì)在兩個(gè)臨床相關(guān)場(chǎng)景中進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，V28C變體對(duì)心血管疾病相關(guān)靶點(diǎn) PCSK9 和早發(fā)性帕金森病相關(guān)突變 SNCA E46K 突變實(shí)現(xiàn)了高效且高精度編輯。

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)整合 gRNA 工程、定向進(jìn)化和機(jī)器學(xué)習(xí)，這項(xiàng)工作提供了一種系統(tǒng)策略，能夠在不降低編輯效率的情況下提高堿基編輯的精度。這些進(jìn)展為更安全、更有效的堿基編輯治療應(yīng)用開(kāi)辟了道路。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41587-025-02937-w