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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(huì)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(huì)在體內(nèi)堆積。過(guò)量的苯丙氨酸會(huì)遲滯精神和運(yùn)動(dòng)發(fā)育。如果這種遺傳疾病不及時(shí)加以治療的話，兒童可能會(huì)遭受?chē)?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(gè)突變基因拷貝和從父親那里遺傳一個(gè)突變基因拷貝，那么就會(huì)患上這種疾病。到目前為止，這種疾病仍然是無(wú)法治愈的。
改進(jìn)的CRISPR/Cas9系統(tǒng)
在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)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(gè)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(lái)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(gè)突變基因拷貝中的堿基序列。這些經(jīng)過(guò)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(gè)需要被校正的基因拷貝上，并且在局部打開(kāi)DNA雙鏈。胞苷脫氨酶將致病性的DNA堿基對(duì)C-G轉(zhuǎn)化為健康人體內(nèi)對(duì)應(yīng)基因組位點(diǎn)上存在的堿基對(duì)T-A。這能夠校正Pah酶編碼基因中的DNA堿基錯(cuò)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(gè)確定的位點(diǎn)上被切割，隨后細(xì)胞試圖通過(guò)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(wèn)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(huì)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(shí)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(shuō)，“這種方法在人體中具有很大的應(yīng)用潛力。”然而，這項(xiàng)研究?jī)H是概念驗(yàn)證。還需在其他動(dòng)物模型中開(kāi)展臨床前研究以便測(cè)試這種新型基因組編輯工具在人體中使用時(shí)的功效和安全性。
之前的基因組編輯方法在動(dòng)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?cè)诔赡晷∈蟾闻K中取得的校正率僅為百分之幾而已。“在這項(xiàng)新的研究中，我們實(shí)現(xiàn)的編輯率提高了好幾倍---到目前為止還沒(méi)有人能夠做到這一點(diǎn)。”
Schwank認(rèn)為這種新型基因組編輯工具的風(fēng)險(xiǎn)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(diǎn)發(fā)生了突變。但是，他們沒(méi)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(diǎn)。Schwank強(qiáng)調(diào)道，“人體肝臟由數(shù)十億個(gè)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(cè)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(huì)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.
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