2019年7月16日，北京大學(xué)魏文勝課題組以長文形式在Nature Biotechnology雜志在線發(fā)表了題為Programmable RNA editing byrecruiting endogenous ADAR using engineered RNAs的研究論文，首次報(bào)道了名為LEAPER的新型RNA 單堿基編輯技術(shù)。與傳統(tǒng)的核酸編輯技術(shù)需要向細(xì)胞同時(shí)遞送編輯酶（如Cas蛋白）及向?qū)NA不同，LEAPER系統(tǒng)僅需要在細(xì)胞中表達(dá)向?qū)NA即可招募細(xì)胞內(nèi)源脫氨酶實(shí)現(xiàn)靶向目標(biāo)RNA的編輯。利用該技術(shù)，研究人員在一系列疾病相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄本中實(shí)現(xiàn)了高效、精準(zhǔn)的編輯，并成功修復(fù)了來源于Hurler綜合征病人的α-L-艾杜糖醛酸酶缺陷細(xì)胞。該技術(shù)的建立為生命科學(xué)基礎(chǔ)研究和疾病治療提供了一種全新的工具。

魏文勝課題組在研究中首次發(fā)現(xiàn)，只需轉(zhuǎn)入一條特殊設(shè)計(jì)的RNA （arRNA, ADAR-recruiting RNA），就能夠通過招募細(xì)胞內(nèi)源的ADAR1 蛋白對(duì)靶向基因轉(zhuǎn)錄本上特定的腺苷產(chǎn)生高效精準(zhǔn)的編輯，并不需要引入任何外源效應(yīng)蛋白。ADAR1基因敲除與回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)和高通量測(cè)序分析表明，細(xì)胞內(nèi)源的ADAR1 蛋白介導(dǎo)了這一過程。這種新型RNA編輯技術(shù)被命名為LEAPER （Leveraging Endogenous ADAR for Programmable Editing on RNA）。

深入研究表明LEAPER具有廣泛的適用性，能對(duì)RNA分子上絕大多數(shù)的腺苷酸位點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)編輯。在人的原代細(xì)胞-包括肺成纖維細(xì)胞、支氣管上皮細(xì)胞及T細(xì)胞中，LEAPER的編輯效率最高可達(dá)80%，顯示出該技術(shù)在疾病治療中巨大的應(yīng)用前景。在諸多應(yīng)用嘗試中，LEAPER的高效、精準(zhǔn)的特性得到充分驗(yàn)證。比如LEAPER可以通過修復(fù)抑癌基因TP53中的致病突變來恢復(fù)p53突變體的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能。此外，在Hurler綜合征患者來源的原代細(xì)胞中，LEAPER能夠成功修復(fù)致病突變，并恢復(fù)細(xì)胞中的α-L-艾杜糖醛酸酶的催化活性。

近期的研究表明，DNA單堿基編輯技術(shù)，包括胞嘧啶堿基編輯器和腺嘌呤堿基編輯器在RNA或DNA水平上產(chǎn)生了嚴(yán)重的脫靶現(xiàn)象，引發(fā)人們對(duì)其安全性的擔(dān)憂。利用RNA-Seq技術(shù)在轉(zhuǎn)錄組水平對(duì)LEAPER技術(shù)進(jìn)行的評(píng)估，沒有觀測(cè)到明顯的脫靶現(xiàn)象，顯示了新技術(shù)的高度特異性。另外，LEAPER不影響內(nèi)源ADAR蛋白的正常功能，也不會(huì)激活細(xì)胞中的天然免疫反應(yīng)，表明其是一類安全的基因編輯工具。

與RNAi類似，LEAPER充分利用了細(xì)胞中天然存在的機(jī)制：僅用一條RNA 就實(shí)現(xiàn)了精確高效的RNA單堿基編輯，從而避免了任何由于表達(dá)外源效應(yīng)蛋白而引起的各種潛在問題。這種新型的基因編輯技術(shù)在科學(xué)研究和疾病治療中顯示出可觀的優(yōu)勢(shì)與潛能，同時(shí)也為發(fā)展基于細(xì)胞內(nèi)源機(jī)制的基因編輯技術(shù)指明了方向。近期，Thorsten Stafforst課題組報(bào)道了命名為RESTORE（recruiting endogenous ADAR to specific transcripts foroligonucleotide-mediated RNA editing） 的RNA編輯方法。與LEAPER類似，RESTORE也能夠利用內(nèi)源ADAR進(jìn)行靶向RNA的精準(zhǔn)編輯；不同之處在于，RESTORE中的向?qū)NA是一段化學(xué)合成的寡核苷酸，為保持其穩(wěn)定性，需要進(jìn)行大量化學(xué)修飾。而LEAPER可以通過穩(wěn)定表達(dá)的方式在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用，因此適用于裝載至腺相關(guān)病毒 （AAV）、慢病毒等載體中，在遞送至機(jī)體后持續(xù)發(fā)揮功能。

研究背景

近年來，以CRISPR/Cas9為代表的基因組編輯技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，但該技術(shù)目前存在的一系列問題使其在臨床治療應(yīng)用中遭遇瓶頸。問題的根源之一在于當(dāng)前的基因編輯體系依賴于外源編輯酶或效應(yīng)蛋白的表達(dá)，從而造成：（1） 蛋白分子量過大使得通過病毒載體進(jìn)行裝載及人體內(nèi)遞送十分困難；（2） 由蛋白過表達(dá)引起的DNA/RNA水平的脫靶效應(yīng)；（3） 由外源蛋白表達(dá)引起的機(jī)體免疫反應(yīng)及損傷；（4） 機(jī)體內(nèi)的預(yù)存抗體使外源編輯酶或效應(yīng)蛋白被中和從而導(dǎo)致基因編輯失敗等。為解決上述問題，亟需建立新型基因編輯工具，特別是擺脫傳統(tǒng)技術(shù)依賴于外源蛋白表達(dá)的桎梏。

ADAR（Adenosine deaminase acting on RNA） 是一類在人體內(nèi)各組織中廣泛表達(dá)的腺苷脫氨酶，能夠催化RNA分子中腺苷A→肌苷I（鳥苷G）的轉(zhuǎn)換。相比DNA編輯，RNA編輯不需要對(duì)基因組序列進(jìn)行永久性改變，這種可逆的、易于調(diào)控的編輯方式在安全性上可能更具優(yōu)勢(shì)。麻省理工學(xué)院張鋒課題組曾報(bào)道，過表達(dá)Cas13-ADAR融合蛋白及向?qū)NA可以實(shí)現(xiàn)靶向目標(biāo)RNA的精準(zhǔn)編輯，但是該方法無法解決外源蛋白表達(dá)造成的問題。