首次利用CRISPR培育出单核苷酸编辑转基因小鼠

囊性纤维化、镰刀形红细胞贫血症、亨廷顿舞蹈病和苯丙酮尿症都是由单个核苷酸发生突变导致的疾病。作为DNA的构成单元，核苷酸分为四种不同的类型：腺嘌呤（Adenine, A）、胞嘧啶（cytosine, C）、鸟嘌呤（guanine, G）和胸腺嘧啶（thymine, T）。人类DNA由大约30亿个核苷酸组成。在某些情形下，仅一个核苷酸发生变化就能够导致严重的疾病。科学家们希望利用一个正确的核苷酸替换这个不正确的核苷酸，从而治愈这些疾病。然而，利用当前的基因编辑工具CRISPR-Cas9替换单个核苷酸存在技术上的挑战。如今，在一项新的研究中，来自韩国基础科学研究所（Institute for Basic Science, IBS）基因组工程中心的研究人员利用这种流行的基因编辑技术CRISPR-Cas9的一种变体版本培育出单核苷酸编辑小鼠。相关研究结果于2017年2月27日在线发表在Nature Biotechnology期刊上，论文标题为“Highly efficient RNA-guided base editing in mouse embryos”。

作为近年来出现的一种卓有成效的基因编辑技术，CRISPR-Cas9的作用机制是在DNA双链中的一个发生突变的核苷酸附近进行切割，切除一小段DNA序列。相反，IBS研究人员采用Cas9蛋白的一种变体：切口酶Cas9（nickase Cas9, nCas9），同时让Cas9与一种被称作胞苷脱氨酶（cytidine deaminase, CD）的蛋白融合在一起。CRISPR-nCas9-CD能够将一种核苷酸替换另一种核苷酸，因而也被称作碱基编辑器（Base Editor）。2016年，美国哈佛大学的David Liu团队和日本神户大学的Keiji Nishda团队已开发出这种类型的脱氨酶，并且在体外培养的细胞系中进行过测试。IBS研究人员通过将这种技术用于小鼠胚胎中，进一步推动它的发展。

IBS研究人员在小鼠体内测试了CRISPR-nCas9-CD是否能够校正Dmd基因（编码抗肌萎缩蛋白）或Tyr基因（编码酪氨酸酶）中的单个核苷酸。他们在这两种基因中都取得成功：由Dmd基因发生单核苷酸突变的胚胎发育而成的小鼠在它们的肌肉中不产生抗肌萎缩蛋白（dystrophin），而Tyr基因发生单核苷酸突变的小鼠表现出白化性状。抗肌萎缩蛋白确实与肌肉肌营养不良疾病相关联，而酪氨酸酶控制黑色素产生。

再者，这两种单核苷酸替换仅出现靶位点上。这是比较重要的，这是因为它表明仅靶位点上的突变核苷酸遭受替换。论文通信作者、IBS基因组工程中心主任KIM Jin-Soo陈述道，“我们首次证实可编程的脱氨酶在小鼠胚胎中高效地诱导核苷酸替换，从而培育出具有疾病表型的突变小鼠。这是一项概念验证实验。下一个目标是在动物中校正基因缺陷。最终，这种技术可能允许在人类胚胎中进行基因校正。”