RNA編輯領域前世今生——與CRISPR和張鋒博士的不解之緣

本文轉載自「葯明康德」。

提到基因編輯，我們可能首先想到的是著名學者張鋒和Jennifer Doudna博士共同發現的CRISPR基因編輯系統。而提到單鹼基編輯系統，我們可能首先會想到Broad研究所著名科學家David Liu和張鋒博士等人共同創建Beam Therapeutics公司，這家初創公司致力於使用基於CRISPR的單鹼基編輯系統，對特定DNA和RNA上的單個鹼基進行編輯，它在治療多種因為單個鹼基突變導致的遺傳病上具有廣闊的前景。

圖片來源：ProQR Therapeutics官網

不過說到對RNA序列進行單鹼基編輯，你可能不知道的是，這一領域的研究早在1995年就開始了，而近年來，除了Beam Therapeutics以外，還有多家初創公司和學術界的研究人員正在開發更為簡便的RNA編輯方法。而張鋒博士開發的CRISPR技術，與RNA編輯領域的起起落落也有緊密的關聯。今天，葯明康德的微信團隊將與讀者分享這一領域的發展故事。

Joshua Rosenthal博士不是你想像中那樣的典型生物科技創業者。這位科學家大多數時間呆在麻省伍茲霍爾海洋研究所研究烏賊的神經系統，當然有時候他也會使用章魚。然而在2018年的四月，他來到波士頓，面對Atlas Venture的投資人們，介紹一種新的治療模式。它是基於烏賊編輯它們信使RNA（mRNA）的生物機制。

Joshua Rosenthal博士和他的研究對象（圖片來源：霍爾海洋研究所官網）

mRNA是由DNA轉錄生成的單鏈核苷酸序列，它們是指導蛋白成產的藍圖。Rosenthal博士告訴Altlas的投資人們，烏賊和章魚能夠非常有效地利用一種稱為ADAR的酶，對它們的RNA序列進行上千次單鹼基編輯。這些微小的編輯能夠改變蛋白的結構和活性，幫助控制這些動物神經中的電衝動。

人類體內也存在天然的ADAR酶，它們也能夠行使同樣的功能，只不過效率沒有那麼高。Rosenthal博士對烏賊的研究激起了他利用ADAR的功能對人類RNA進行精準編輯的想法。通過使用一種稱為ADAR指導RNA（guide RNA to ADAR）的RNA片段，Rosenthal實驗室能夠讓ADAR對互補RNA鏈上特定位點的鹼基進行編輯。這個步驟與CRISPR基因編輯非常類似，CRISPR基因編輯系統同樣使用了一個指導RNA將名為Cas9的內切酶引入到互補DNA序列上。

與DNA編輯造成的永久變化不同，RNA編輯的作用是可逆的，因為細胞會不斷生成新的RNA拷貝。如果Rosenthal博士的RNA編輯系統能夠在人體中獲得成功，它們可以被用來重複治療特定遺傳疾病，同時不需要面對CRISPR系統永久改變DNA編碼需要面對的長期未知風險。更重要的是，這種治療模式為只需要暫時治療的疼痛或炎症患者提供了一種新的治療策略。RNA編輯可能比CRISPR更容易轉化為療法，因為ADAR酶已經存在我們的細胞中，理論上我們只需要引入指導RNA，「套上」這些酶，然後告訴它們去哪裡進行鹼基編輯。

這些優點打動了Atlas的合伙人Nessan Bermingham先生，他曾經是Intellia Therapeutics公司的CEO，這是一家開發基於CRISPR療法的公司。Atlas創建了一家名為Korro Bio的初創公司，開發基於RNA編輯的療法。這一新興領域正在得到更多的關注，至少有4家生物技術公司正在開發基於RNA編輯的療法，更多學術研究實驗室在試圖設計新的RNA編輯器。

RNA編輯的理念並不新穎。早在1995年，Ribozyme Pharmaceuticals公司的研究人員就發現反義寡核苷酸可以募集ADAR酶到互補RNA鏈上進行鹼基編輯。他們在《PNAS》雜誌上發表了這項研究，並且提出了「治療性RNA編輯」這一說法。然而這篇論文只被引用過一次，就被人遺忘了。

直到十多年後，Rosenthal博士和德國圖賓根大學（University of Tübingen）的化學家Thorsten Stafforst博士相互獨立地重新點燃開發基於ADAR的RNA編輯器的希望。他們各自開發出將指導RNA與ADAR酶相連的系統。這些系統都依靠ADAR能夠將RNA編碼中的腺苷（A）轉變為肌苷（I）的天然能力。當細胞使用編輯過的RNA來製造蛋白時，它們會把不常見的肌苷（I）解釋為鳥苷（G）。這一編輯的最終結果是將編碼中的A變為G。他們的研究分別在2012年和2013年發表在《Angewandte Chemie International Edition》和《PNAS》雜誌上。

然而，當他們的研究發布時，CRISPR基因編輯系統已經出現了，CRISPR系統簡便有效地編輯DNA的能力吸引了大多數人的目光。編輯RNA的研究並沒有引起人們的重視。然而，Stafforst和Rosenthal博士仍然繼續進行優化RNA編輯器的工作。對於他們來說，RNA編輯器仍然具有獨特的優勢。例如，CRISPR系統的一個缺陷是它可能導致脫靶效應，在DNA上的脫靶效應會導致DNA編碼的永久改變，而RNA編輯的脫靶效應是暫時的，這意味著RNA編輯可能是一條更安全的治療途徑。

在2017年，張鋒博士開發出他自己的RNA編輯器，他的團隊將ADAR的催化部分與一個Cas蛋白相結合，使用指導RNA引導對特定RNA序列的單鹼基編輯。這項研究發表在《科學》雜誌上。隨後，他與David Liu等人聯合創建了Beam Therapeutics公司。張鋒博士的研究讓人們重新開始關注RNA編輯領域。除了Beam以外，一家名為Locana的初創公司也在開發基於Cas酶的RNA編輯系統。

基於Cas13的RNA單鹼基編輯系統（圖片來源：Beam Therapeutics官網）

將ADAR酶與Cas酶相結合開發的RNA編輯系統可能幫助ADAR酶更精準地與特定RNA序列相結合，從而減少RNA編輯的脫靶效應，這是RNA編輯器開發的一個方向。而研究人員開發的另一個方向是不使用Cas酶，通過對指導RNA序列進行改造和優化，進一步精簡RNA編輯系統，讓它們更容易轉化為療法。

以前，不同類型的RNA編輯器都需要將ADAR酶和指導RNA同時引入細胞中，從藥物遞送的角度來說，這是一個非常嚴峻的挑戰。即便在CRISPR基因編輯領域，如何安全有效地遞送Cas9和指導RNA仍然是未被完全解決的重大挑戰。在今年1月，Stafforst博士在《Nature Biotechnology》雜誌上發表的研究表明，通過對指導RNA進行化學修飾，研究人員可以在指導RNA中添加特定結構，讓它們能夠利用人體細胞中已經存在的ADAR蛋白進行RNA編輯。

今年2月，加州大學聖地亞哥分校的Prashant Mali博士在《Nature Methods》上發表的研究再度驗證，只使用改造過的指導RNA，就可以與ADAR結合併且將它帶到正確RNA序列，在小鼠模型中修復與肌營養不良症和鳥氨酸轉氨甲醯酶缺乏症相關的RNA基因變異。Mali博士也創建了一家名為Shape Therapeutics的公司來開發RNA編輯療法。

Stafforst和Mali博士的最新研究體現了RNA編輯與CRISPR基因編輯相比的兩個重要優勢：

一，只使用指導RNA來利用人體自身的ADAR酶進行RNA編輯，不需要將外源蛋白引入體內，從而避免CRISPR系統需要解決的潛在風險，因為Cas蛋白來自細菌，它可能引發人體免疫系統的反應。

二，化學合成的指導RNA的特性與反義寡核苷酸相同，這是一類已經被證明可以用於治療大腦，眼科和肝臟疾病的藥物模式。

使用反義寡核苷酸引導ADAR進行RNA編輯（圖片來源：ProQR Therapeutics官網）

「反義寡核苷酸的一個優勢是它們已經經過了幾十年的研究。」ProQR Therapeutics公司的首席執行官Daniel de Boer先生說。這家成立於2014年的生物技術公司一直在設計反義寡核苷酸，募集人體中天然的ADAR進行RNA編輯。該公司的研發管線中的主打療法將用於治療10型Leber先天性黑朦（一種遺傳性眼科疾病）和亞瑟綜合症（一種聽覺和視覺障礙）。

RNA編輯領域也在吸引更多學術界的投入。今年1月，雷特綜合征研究信託基金（Rett Syndrom Research Trust, RSRT）授予多家學術實驗室500萬美元，開發治療雷特綜合征的RNA編輯療法。雷特綜合征是由於基因突變，導致名為MeCP2的蛋白水平不足。RNA編輯可能幫助修復產生蛋白的藍圖。

對於像雷特綜合征這樣的遺傳病來說，RNA編輯療法需要重複給患者施藥，而基因療法和基因編輯療法可能達到一勞永逸的治療效果。然而，在細胞中產生適量的 MeCP蛋白非常重要，不能太多，也不能太少，俄勒岡健康與科學大學（Oregon Health and Science University）的Gail Mandel博士說。將轉基因引入體內的基因療法可能有生成過多MeCP2的風險，RNA和DNA編輯療法可以避開這一風險。

其它研究團隊已經開始探索RNA編輯作為暫時療法的潛力。例如，Stafforst博士指出，RNA編輯可以用來增強或減弱炎症，從而幫助治療癌症或免疫疾病。Rosenthal博士的實驗室在設計能夠降低痛覺受體敏感性的RNA編輯療法。如果這項研究獲得成功，它可能帶來一種療效持續幾天或幾周的止痛劑，它不會上癮，而且療效是可逆的。

目前RNA編輯療法還不完美。「然而，一旦你能夠跨越這一挑戰，它將帶來無數的治療機會。」Stafforst博士說。RNA編輯雖然還是一個小的領域，但是他相信在未來的幾年裡，隨著更多的研究人員從DNA編輯轉向RNA編輯，這一技術的更多應用將會出現。

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參考資料：

1）Watch out, CRISPR. The RNA editing race is on. Retrieved March 28, 2019,

2）Beam Therapeutics. Retrieved March 29, 2019

3）ProQR Therapeutics. Retrieved March 29, 2019

4）Cox et al., (2017). RNA editing with CRISPR-Cas13. Science, DOI: 10.1126/science.aaq0180

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