Nature Communications | 開發(fā)可應(yīng)用于基因治療的高保真RNA基因編輯技術(shù)
RNA堿基編輯能夠在RNA水平上精確修復(fù)致病突變,目前正受到越來越多的關(guān)注。但目前基于工程化ADAR脫氨酶的RNA編輯方法還存在著廣泛的脫靶效應(yīng),限制了其臨床應(yīng)用。
2月25日,由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所路中華研究員領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì),在Nature Communications期刊上發(fā)表研究成果,題目為“Target-Stabilized Base Editors Enable Robust High-Fidelity RNA Editing”。團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一種名為 “RECODE”(RNA editing with conditionally stable and enhanced ADAR1 deaminase variants)的新型高保真RNA堿基編輯系統(tǒng)并在動(dòng)物模型中驗(yàn)證了其治療潛力,有力地推動(dòng)了RNA堿基編輯向臨床應(yīng)用邁進(jìn)。
在基因治療領(lǐng)域,堿基編輯技術(shù)因其能夠直接修正致病性點(diǎn)突變而備受矚目。與在DNA層面進(jìn)行永久性改變的編輯策略相比,在RNA水平進(jìn)行編輯具有可逆性和可調(diào)節(jié)性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),因此被視為一種潛在更安全的治療途徑。其中,基于工程化脫氨酶(如ADAR脫氨酶)的RNA堿基編輯器發(fā)展迅速。然而,該系統(tǒng)目前還存在顯著的、全轉(zhuǎn)錄組脫靶風(fēng)險(xiǎn)。其核心原因是游離的脫氨酶在無 gRNA 情況下仍可作用于大量的內(nèi)源性RNA,這是其邁向臨床應(yīng)用的重要障礙之一。
為減少脫靶效應(yīng),本研究創(chuàng)造性地應(yīng)用了“條件性穩(wěn)定”的設(shè)計(jì)理念。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)ADAR1脫氨酶結(jié)構(gòu)域(ADAR1d)進(jìn)行了改造,為其添加了特異性的蛋白降解標(biāo)簽,使其在細(xì)胞內(nèi)處于快速降解的不穩(wěn)定狀態(tài)。只有當(dāng)設(shè)計(jì)的gRNA與靶標(biāo)RNA結(jié)合時(shí),會(huì)誘導(dǎo)gRNA發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)換,進(jìn)而“保護(hù)”并穩(wěn)定與之結(jié)合的ADAR1d,使其免于降解并發(fā)揮編輯活性。這種“靶標(biāo)穩(wěn)定”的機(jī)制,確保了脫氨酶的活性被嚴(yán)格限定在目標(biāo)RNA位置,實(shí)現(xiàn)了編輯活性的空間精準(zhǔn)控制(圖1)。結(jié)合對(duì)ADAR1d本身進(jìn)行的結(jié)構(gòu)引導(dǎo)理性工程優(yōu)化,RECODE系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了高保真與高效率的統(tǒng)一。
在基因治療轉(zhuǎn)化應(yīng)用層面,RECODE系統(tǒng)展現(xiàn)了強(qiáng)大的治療潛力。研究團(tuán)隊(duì)成功利用其在小鼠中高效糾正了與肌萎縮側(cè)索硬化癥(Amyotrophic Lateral Sclerosis,ALS)相關(guān)的FUS基因突變(圖2),有效逆轉(zhuǎn)了突變導(dǎo)致的FUS蛋白在神經(jīng)元軸突中的錯(cuò)誤定位。此外,RECODE還成功將治療性突變引入Angptl3基因的RNA,在小鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了持久且顯著的血漿脂質(zhì)水平降低,為心血管代謝疾病的基因治療提供了新策略(圖3)。
綜上所述,RECODE系統(tǒng)不僅提供了一種具有臨床應(yīng)用前景的高保真RNA編輯工具,而且揭示并驗(yàn)證了一條普適性的設(shè)計(jì)原則——通過效應(yīng)蛋白的條件性穩(wěn)定來增強(qiáng)RNA引導(dǎo)系統(tǒng)的特異性。這一原則有望拓展應(yīng)用于其他基于RNA引導(dǎo)的蛋白質(zhì)效應(yīng)器比如CRISPR系統(tǒng),推動(dòng)該領(lǐng)域向更高特異性邁進(jìn)。
該研究由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院路中華、劉太安團(tuán)隊(duì)合作完成。路中華研究員是論文主要通訊作者,劉太安副研究員是論文第一作者/共同通訊作者,博士研究生林韻萍是論文共同第一作者。

圖1 “靶標(biāo)穩(wěn)定”的RNA堿基編輯器RECODE

圖2 RECODE可逆轉(zhuǎn)漸凍癥相關(guān)FUS突變體在細(xì)胞質(zhì)的異常累積

圖3 通過引入保護(hù)性突變,RECODE可顯著減低小鼠血脂水平
附件下載: