美國加州大學圣地亞哥分校的研究人員指出，大約一半的已知致病基因變異是由SNVs引起的，堿基編輯通過引起臨時的RNA或DNA堿基改變，在許多遺傳疾病的治療中具有巨大的潛力。文中通過綜述DNA和RNA堿基編輯器及它們在特異性、效率、精確性和傳遞方面的研究進展，并對新出現的治療機會和挑戰進行了討論，助力精準醫療領域的下一步發展。
 

　　隨著我們對基因組DNA的主要序列影響人類健康的理解擴大，基因組編輯的治療潛力已經出現。大約一半的已知致病基因變異是由單核苷酸變異(SNVs)引起的，這突出了開發能夠高效糾正SNVs的方法和工具的必要性。堿基編輯是一種用來精確、高效地解決單核苷酸改變的技術，它避免了核酸主干的裂解，在基因組和轉錄組編輯過程中直接對靶堿基進行化學修飾，Biolytic DNA合成儀包括DNA和RNA堿基編輯。Biolytic DNA合成儀單堿基編輯系統在實驗中的應用：
 

　　1.單堿基編輯系統在人類疾病治療方面的應用
 

　　來自上海交通大學的常興組開發了dCas9-AIDx堿基編輯系統，并將其應用到腫瘤研究中。在腫瘤疾病治療過程中，基因上特定位點的堿基突變會使部分腫瘤細胞對抗腫瘤藥物產生耐藥性，如在慢性髓系白血病(chronicmy loidleukemia，CML)的治療中，常使用伊馬替尼藥物來抑制癌細胞中BCRABL激酶的活性，從而抑制白細胞的過度增殖。
 

　　但是，在治療過程中，癌細胞會在特定基因序列點突變(如常見的T315I突變)后產生耐藥性，這是目前腫瘤治療的一大障礙。針對這個問題，常興組在CML患者來源的K562細胞系中表達了dCas9-hAIDx的融合蛋白，由于沒有使用UGI，因此AIDx修飾的胞嘧啶C及互補的鳥嘌呤A可以隨機地向其它三種堿基轉變。他們使用sgRNA文庫將dCas9-AIDx靶向到ABL基因的第6個外顯子，誘導點突變的發生。通過用伊馬替尼藥物篩選，將伊馬替尼耐藥的細胞與篩選前細胞的ABL的第6個外顯子進行深度測序分析，發現了10個與伊馬替尼耐藥相關的基因突變位點，包括了在臨床中已被證實的T315I突變。該研究證明，可以利用此系統篩選腫瘤細胞產生耐藥性的突變，探究腫瘤疾病的耐藥機制，開創了篩選腫瘤耐藥突變的新方法，結合第二代測序技術在臨床中的應用，將有助于癌癥病人耐藥的早期發現，提高癌癥病人的生存率。
 

　　2.單堿基編輯系統在動物模型方面的應用
 

　　目前，大多數關于單堿基編輯系統的研究報告主要基于細胞實驗，而其在動物模型開發中的應用將有利于研究人員深入研究疾病發生和發展的機理。韓國首爾大學Jin-SooKim組發表了將rAPOBEC-XTEN-Cas9n-UGI(BE3)系統運用于小鼠疾病模型制備的研究成果。針對小鼠的抗肌萎suo蛋白基因Dmd以及酪氨酸酶基因Tyr，分別設計了特異識別的sgRNA，顯微注射sgRNA和rAPOBEC1-XTEN-Cas9n-UGI融合蛋白的mRNA或者電轉染sgRNA和rAPOBEC1-Cas9n-UGI蛋白的復合物到小鼠受精卵。
 

　　在所獲得的9只Dmd的F0代小鼠中，有5只小鼠產生了靶位點的堿基突變，包括一只純合子突變小鼠(CAG>TAG)。進一步通過免疫染色發現，在這只純合子Dmd突變小鼠體內幾乎檢測不到該蛋白的表達。而通過電轉染gRNA和rAPOBEC-XTEN-Cas9n-UGI融合蛋白的復合物，產生了7只TyrF0后代小鼠中均檢測到靶基因突變，包括3只純合子Tyr突變小鼠。
 

　　與Jin-SooKim的發現類似，也發現了堿基編輯系統會在胚胎中產生堿基的缺失，并報道了在小鼠胚胎中由堿基編輯系統誘導產生的靶位點處的堿基插入以及臨近位點的脫氨基。由于所用的dCas9-HF2不具有核酸酶活性，他們認為，堿基的插入和缺失是由于胞嘧啶脫氨基后產生的U被堿基切除修復機制識別，并被切除從而產生無堿基位點，無堿基位點再進一步轉化成DNA雙鏈損傷，從而導致堿基插入和缺失的產生。以上兩項研究結果充分證明了單堿基編輯系統能高效地用于制備疾病動物模型，但仍需進一步優化來提高特異性及降低堿基插入和缺失的產生。
 

　　3.單堿基編輯系統在植物方面的應用
 

　　轉基因技術在改良作物性狀方面已經做了大量的工作，但由于外源基因的導入和公眾科普的缺乏，使得轉基因作物的推廣和應用存在較大難度。作物在漫長的人工選育過程中，人類通過人工選擇的方式定向選育具有優良性狀的基因突變株，但該過程耗時耗力且不可控。利用同源重組技術，可以獲得定點修飾的優良植物株，但由于同源重組的效率太低，因此可行性不高。單堿基編輯技術在人細胞中高效編輯單個堿基的結果提示，以通過該系統在農作物中的進行定點可控的基因編輯，進而快速、高效地獲得優良性狀的植株。
 

　　研究還發現在作物中胞嘧啶核苷脫氨酶的作用活性窗口為7個核苷酸序列，從距離PAM最遠端數起的第3～9位核苷酸，這相對于在動物細胞中的編輯窗口更廣。嘗試采用土壤桿菌為載體，攜帶Cas9n-XTEN-rAPOBEC1-UGI融合蛋白和sgRNA，編輯水稻內一種衰老控制基因OsCDC48。研究結果顯示，單堿基編輯效率在5.0%～32.5%，靶位點處沒有發現核苷酸序列的隨機插入或缺失，而且預測可能的脫靶位點處也沒有發現突變。同一時間，中科院上海生命科學研究院的朱健康團隊和中國農業科學院作物研究所的夏蘭琴團隊也分別報道了運用單堿基編輯系統對水稻基因進行單堿編輯。這三個獨立的研究表明，單堿基編輯系統可以在農作物中取得高效的編輯效率，為改良作物品種帶來新希望。