新生兒的父母可能都了解一種稱為苯丙酮尿癥（phenylketonuria）的代謝障礙。在瑞士，所有新生兒都會接受這種遺傳疾病的篩查。經(jīng)發(fā)現(xiàn)患有苯丙酮尿癥的兒童需要吃特殊飲食，這樣苯丙氨酸就不會在體內(nèi)堆積。過量的苯丙氨酸會遲滯精神和運動發(fā)育。如果這種遺傳疾病不及時加以治療的話，兒童可能會遭受嚴(yán)重的精神殘疾。

這種代謝障礙的病因是編碼苯丙氨酸羥化酶（phenylalanine hydroxylase, Pah）的基因發(fā)生突變。這種由肝細(xì)胞產(chǎn)生的酶代謝苯丙氨酸。這種代謝障礙是一種“常染色體隱性”遺傳疾病：兒童如果從母親那里遺傳一個突變基因拷貝和從父親那里遺傳一個突變基因拷貝，那么就會患上這種疾病。到目前為止，這種疾病仍然是無法治愈的。

改進(jìn)的CRISPR/Cas9系統(tǒng)

在一項新的研究中，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和蘇黎世大學(xué)的研究人員利用一種方法糾正肝細(xì)胞中的兩個突變基因拷貝，從而治愈這種疾病。他們?nèi)〉贸晒Γ辽偈窃谛∈篌w內(nèi)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年10月的Nature Medicine期刊上，論文標(biāo)題為“Treatment of a metabolic liver disease by in vivo genome base editing in adult mice”。論文通信作者為蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Gerald Schwank教授。
 

圖片來自Nature Medicine, doi:10.1038/s41591-018-0209-1。

在利用一種酶加以強(qiáng)化的CRISPR/Cas9系統(tǒng)的幫助下，這些研究人員改變了成年小鼠中這兩個突變基因拷貝中的堿基序列。這些經(jīng)過校正的肝細(xì)胞能夠產(chǎn)生功能性的Pah酶，這些小鼠所患的這種疾病被治愈了。

這種由胞苷脫氨酶（cytidine deaminase）加以強(qiáng)化的CRISPR/Cas9系統(tǒng)結(jié)合到這兩個需要被校正的基因拷貝上，并且在局部打開DNA雙鏈。胞苷脫氨酶將致病性的DNA堿基對C-G轉(zhuǎn)化為健康人體內(nèi)對應(yīng)基因組位點上存在的堿基對T-A。這能夠校正Pah酶編碼基因中的DNA堿基錯誤。

在傳統(tǒng)的CRISPR/Cas編輯中，誘導(dǎo)DNA雙鏈斷裂是基因組編輯的核心要素。雙鏈DNA在一個確定的位點上被切割，隨后細(xì)胞試圖通過多種機(jī)制修復(fù)這種切割。如果將一種外源性的匹配DNA序列導(dǎo)入到細(xì)胞中，那么它能夠讓一種特定的修復(fù)機(jī)制地修復(fù)特定的基因序列。問題在于大多數(shù)人細(xì)胞主要使用其他的DNA修復(fù)機(jī)制，這些修復(fù)機(jī)制會產(chǎn)生額外的不想要的突變。

更的基因組編輯

這些研究人員意識到這種新的基因組編輯工具比傳統(tǒng)的CRISPR/Cas9方法更有效：在小鼠肝臟中，高達(dá)60%的所有突變基因拷貝得到校正。這導(dǎo)致苯丙氨酸濃度降至正常水平，并且在利用這種基因組編輯工具治療后，這些小鼠不再顯示這種代謝障礙的任何跡象。

為了將編碼這種新型基因組編輯工具的遺傳密碼轉(zhuǎn)移到肝細(xì)胞中，這些研究人員將所需的基因?qū)氲较傧嚓P(guān)病毒（AAV）中，隨后將AAV病毒注射到小鼠的血液中。這種病毒感染肝細(xì)胞，從而將編碼這種基因組編輯工具的基因?qū)氲礁渭?xì)胞中。

治愈其他的代謝疾病

Schwank說，“這種方法在人體中具有很大的應(yīng)用潛力。”然而，這項研究僅是概念驗證。還需在其他動物模型中開展臨床前研究以便測試這種新型基因組編輯工具在人體中使用時的功效和安全性。

之前的基因組編輯方法在動物中直接校正靶突變方面僅取得了有限的成功。Schwank解釋道，在此之前，科學(xué)家們在成年小鼠肝臟中取得的校正率僅為百分之幾而已。“在這項新的研究中，我們實現(xiàn)的編輯率提高了好幾倍---到目前為止還沒有人能夠做到這一點。”

Schwank認(rèn)為這種新型基因組編輯工具的風(fēng)險是較低的。在小鼠模型中應(yīng)用這種編輯工具后，這些研究人員尋找了脫靶突變，即在不應(yīng)該發(fā)生突變的位點發(fā)生了突變。但是，他們沒有找到任何脫靶突變。Schwank希望在后續(xù)研究中更仔細(xì)地研究這一點。Schwank強(qiáng)調(diào)道，“人體肝臟由數(shù)十億個細(xì)胞組成。在這些細(xì)胞中，我們都不想誘導(dǎo)任何可能導(dǎo)致癌癥的突變。”還需要進(jìn)行測試以便確定這些研究人員使用AAV病毒作為編碼這種編輯工具的基因的載體是否會引起任何不良反應(yīng)。（生物谷 ）

參考資料：

Lukas Villiger, Hiu Man Grisch-Chan, Helen Lindsay et al. Treatment of a metabolic liver disease by in vivo genome base editing in adult mice. Nature Medicine, October 2018, 24(10):1519–1525, doi:10.1038/s41591-018-0209-1.

Huiyun Seo & Jin-Soo Kim. Towards therapeutic base editing. Nature Medicine, October 2018, 24(10):1493–1495, doi:10.1038/s41591-018-0215-3.