提到基因編輯，我們可能首先想到的是著(zhù)名學(xué)者張鋒和Jennifer Doudna博士共同發(fā)現的CRISPR基因編輯系統。而提到單堿基編輯系統，我們可能首先會(huì )想到Broad研究所著(zhù)名科學(xué)家David Liu和張鋒博士等人共同創(chuàng )建的Beam Therapeutics公司，這家初創(chuàng )公司致力于使用基于CRISPR的單堿基編輯系統，對特定DNA和RNA上的單個(gè)堿基進(jìn)行編輯，它在治療多種因為單個(gè)堿基突變導致的遺傳病上具有廣闊的前景。

       圖片來(lái)源：ProQR Therapeutics官網(wǎng)

       不過(guò)說(shuō)到對RNA序列進(jìn)行單堿基編輯，你可能不知道的是，這一領(lǐng)域的研究早在1995年就開(kāi)始了，而近年來(lái)，除了Beam Therapeutics以外，還有多家初創(chuàng )公司和學(xué)術(shù)界的研究人員正在開(kāi)發(fā)更為簡(jiǎn)便的RNA編輯方法。而張鋒博士開(kāi)發(fā)的CRISPR技術(shù)，與RNA編輯領(lǐng)域的起起落落也有緊密的關(guān)聯(lián)。今天，藥明康德的微信團隊將與讀者分享這一領(lǐng)域的發(fā)展故事。

       Joshua Rosenthal博士不是你想象中那樣的典型生物科技創(chuàng )業(yè)者。這位科學(xué)家大多數時(shí)間呆在麻省伍茲霍爾海洋研究所研究烏賊的神經(jīng)系統，當然有時(shí)候他也會(huì )使用章魚(yú)。然而在2018年的四月，他來(lái)到波士頓，面對Atlas Venture的投資人們，介紹一種新的治療模式。它是基于烏賊編輯它們信使RNA（mRNA）的生物機制。

       mRNA是由DNA轉錄生成的單鏈核苷酸序列，它們是指導蛋白成產(chǎn)的藍圖。Rosenthal博士告訴Altlas的投資人們，烏賊和章魚(yú)能夠非常有效地利用一種稱(chēng)為ADAR的酶，對它們的RNA序列進(jìn)行上千次單堿基編輯。這些微小的編輯能夠改變蛋白的結構和活性，幫助控制這些動(dòng)物神經(jīng)中的電沖動(dòng)。

       人類(lèi)體內也存在天然的ADAR酶，它們也能夠行使同樣的功能，只不過(guò)效率沒(méi)有那么高。Rosenthal博士對烏賊的研究激起了他利用ADAR的功能對人類(lèi)RNA進(jìn)行精準編輯的想法。通過(guò)使用一種稱(chēng)為ADAR指導RNA（guide RNA to ADAR）的RNA片段，Rosenthal實(shí)驗室能夠讓ADAR對互補RNA鏈上特定位點(diǎn)的堿基進(jìn)行編輯。這個(gè)步驟與CRISPR基因編輯非常類(lèi)似，CRISPR基因編輯系統同樣使用了一個(gè)指導RNA將名為Cas9的內切酶引入到互補DNA序列上。

       與DNA編輯造成的永久變化不同，RNA編輯的作用是可逆的，因為細胞會(huì )不斷生成新的RNA拷貝。如果Rosenthal博士的RNA編輯系統能夠在人體中獲得成功，它們可以被用來(lái)重復治療特定遺傳疾病，同時(shí)不需要面對CRISPR系統永久改變DNA編碼需要面對的長(cháng)期未知風(fēng)險。更重要的是，這種治療模式為只需要暫時(shí)治療的疼痛或炎癥患者提供了一種新的治療策略。RNA編輯可能比CRISPR更容易轉化為療法，因為ADAR酶已經(jīng)存在我們的細胞中，理論上我們只需要引入指導RNA，“套上”這些酶，然后告訴它們去哪里進(jìn)行堿基編輯。

       這些優(yōu)點(diǎn)打動(dòng)了Atlas的合伙人Nessan Bermingham先生，他曾經(jīng)是Intellia Therapeutics公司的CEO，這是一家開(kāi)發(fā)基于CRISPR療法的公司。Atlas創(chuàng )建了一家名為Korro Bio的初創(chuàng )公司，開(kāi)發(fā)基于RNA編輯的療法。這一新興領(lǐng)域正在得到更多的關(guān)注，至少有4家生物技術(shù)公司正在開(kāi)發(fā)基于RNA編輯的療法，更多學(xué)術(shù)研究實(shí)驗室在試圖設計新的RNA編輯器。

       RNA編輯的理念并不新穎。早在1995年，Ribozyme Pharmaceuticals公司的研究人員就發(fā)現反義寡核苷酸可以募集ADAR酶到互補RNA鏈上進(jìn)行堿基編輯。他們在《PNAS》雜志上發(fā)表了這項研究，并且提出了“治療性RNA編輯”這一說(shuō)法。然而這篇論文只被引用過(guò)一次，就被人遺忘了。

       直到十多年后，Rosenthal博士和德國圖賓根大學(xué)（University of Tübingen）的化學(xué)家Thorsten Stafforst博士相互獨立地重新點(diǎn)燃開(kāi)發(fā)基于A(yíng)DAR的RNA編輯器的希望。他們各自開(kāi)發(fā)出將指導RNA與ADAR酶相連的系統。這些系統都依靠ADAR能夠將RNA編碼中的腺苷（A）轉變?yōu)榧≤眨↖）的天然能力。當細胞使用編輯過(guò)的RNA來(lái)制造蛋白時(shí)，它們會(huì )把不常見(jiàn)的肌苷（I）解釋為鳥(niǎo)苷（G）。這一編輯的最終結果是將編碼中的A變?yōu)镚。他們的研究分別在2012年和2013年發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》和《PNAS》雜志上。

       然而，當他們的研究發(fā)布時(shí)，CRISPR基因編輯系統已經(jīng)出現了，CRISPR系統簡(jiǎn)便有效地編輯DNA的能力吸引了大多數人的目光。編輯RNA的研究并沒(méi)有引起人們的重視。然而，Stafforst和Rosenthal博士仍然繼續進(jìn)行優(yōu)化RNA編輯器的工作。對于他們來(lái)說(shuō)，RNA編輯器仍然具有獨特的優(yōu)勢。例如，CRISPR系統的一個(gè)缺陷是它可能導致脫靶效應，在DNA上的脫靶效應會(huì )導致DNA編碼的永久改變，而RNA編輯的脫靶效應是暫時(shí)的，這意味著(zhù)RNA編輯可能是一條更安全的治療途徑。

       在2017年，張鋒博士開(kāi)發(fā)出他自己的RNA編輯器，他的團隊將ADAR的催化部分與一個(gè)Cas蛋白相結合，使用指導RNA引導對特定RNA序列的單堿基編輯。這項研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。隨后，他與David Liu等人聯(lián)合創(chuàng )建了Beam Therapeutics公司。張鋒博士的研究讓人們重新開(kāi)始關(guān)注RNA編輯領(lǐng)域。除了Beam以外，一家名為L(cháng)ocana的初創(chuàng )公司也在開(kāi)發(fā)基于Cas酶的RNA編輯系統。

       ▲基于Cas13的RNA單堿基編輯系統（圖片來(lái)源：Beam Therapeutics官網(wǎng)）

       將ADAR酶與Cas酶相結合開(kāi)發(fā)的RNA編輯系統可能幫助ADAR酶更精準地與特定RNA序列相結合，從而減少RNA編輯的脫靶效應，這是RNA編輯器開(kāi)發(fā)的一個(gè)方向。而研究人員開(kāi)發(fā)的另一個(gè)方向是不使用Cas酶，通過(guò)對指導RNA序列進(jìn)行改造和優(yōu)化，進(jìn)一步精簡(jiǎn)RNA編輯系統，讓它們更容易轉化為療法。

       以前，不同類(lèi)型的RNA編輯器都需要將ADAR酶和指導RNA同時(shí)引入細胞中，從藥物遞送的角度來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常嚴峻的挑戰。即便在CRISPR基因編輯領(lǐng)域，如何安全有效地遞送Cas9和指導RNA仍然是未被完全解決的重大挑戰。在今年1月，Stafforst博士在《Nature Biotechnology》雜志上發(fā)表的研究表明，通過(guò)對指導RNA進(jìn)行化學(xué)修飾，研究人員可以在指導RNA中添加特定結構，讓它們能夠利用人體細胞中已經(jīng)存在的ADAR蛋白進(jìn)行RNA編輯。

       今年2月，加州大學(xué)圣地亞哥分校的Prashant Mali博士在《Nature Methods》上發(fā)表的研究再度驗證，只使用改造過(guò)的指導RNA，就可以與ADAR結合并且將它帶到正確RNA序列，在小鼠模型中修復與肌營(yíng)養不良癥和鳥(niǎo)氨酸轉氨甲酰酶缺乏癥相關(guān)的RNA基因變異。Mali博士也創(chuàng )建了一家名為Shape Therapeutics的公司來(lái)開(kāi)發(fā)RNA編輯療法。

       Stafforst和Mali博士的最新研究體現了RNA編輯與CRISPR基因編輯相比的兩個(gè)重要優(yōu)勢：

       一，只使用指導RNA來(lái)利用人體自身的ADAR酶進(jìn)行RNA編輯，不需要將外源蛋白引入體內，從而避免CRISPR系統需要解決的潛在風(fēng)險，因為Cas蛋白來(lái)自細菌，它可能引發(fā)人體免疫系統的反應。

       二，化學(xué)合成的指導RNA的特性與反義寡核苷酸相同，這是一類(lèi)已經(jīng)被證明可以用于治療大腦，眼科和肝 臟疾病的藥物模式。

       ▲使用反義寡核苷酸引導ADAR進(jìn)行RNA編輯（圖片來(lái)源：ProQR Therapeutics官網(wǎng)）

       “反義寡核苷酸的一個(gè)優(yōu)勢是它們已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾十年的研究。”ProQR Therapeutics公司的首席執行官Daniel de Boer先生說(shuō)。這家成立于2014年的生物技術(shù)公司一直在設計反義寡核苷酸，募集人體中天然的ADAR進(jìn)行RNA編輯。該公司的研發(fā)管線(xiàn)中的主打療法將用于治療10型Leber先天性黑朦（一種遺傳性眼科疾?。┖蛠喩C合癥（一種聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)障礙）。

       RNA編輯領(lǐng)域也在吸引更多學(xué)術(shù)界的投入。今年1月，雷特綜合征研究信托基金（Rett Syndrom Research Trust, RSRT）授予多家學(xué)術(shù)實(shí)驗室500萬(wàn)美元，開(kāi)發(fā)治療雷特綜合征的RNA編輯療法。雷特綜合征是由于基因突變，導致名為MeCP2的蛋白水平不足。RNA編輯可能幫助修復產(chǎn)生蛋白的藍圖。

       對于像雷特綜合征這樣的遺傳病來(lái)說(shuō)，RNA編輯療法需要重復給患者施藥，而基因療法和基因編輯療法可能達到一勞永逸的治療效果。然而，在細胞中產(chǎn)生適量的 MeCP蛋白非常重要，不能太多，也不能太少，俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)（Oregon Health and Science University）的Gail Mandel博士說(shuō)。將轉基因引入體內的基因療法可能有生成過(guò)多MeCP2的風(fēng)險，RNA和DNA編輯療法可以避開(kāi)這一風(fēng)險。

       其它研究團隊已經(jīng)開(kāi)始探索RNA編輯作為暫時(shí)療法的潛力。例如，Stafforst博士指出，RNA編輯可以用來(lái)增強或減弱炎癥，從而幫助治療癌癥或免疫疾病。Rosenthal博士的實(shí)驗室在設計能夠降低痛覺(jué)受體敏感性的RNA編輯療法。如果這項研究獲得成功，它可能帶來(lái)一種療效持續幾天或幾周的止痛劑，它不會(huì )上癮，而且療效是可逆的。

       目前RNA編輯療法還不完美。“然而，一旦你能夠跨越這一挑戰，它將帶來(lái)無(wú)數的治療機會(huì )。”Stafforst博士說(shuō)。RNA編輯雖然還是一個(gè)小的領(lǐng)域，但是他相信在未來(lái)的幾年里，隨著(zhù)更多的研究人員從DNA編輯轉向RNA編輯，這一技術(shù)的更多應用將會(huì )出現。

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