论文标题：Base editors: development and applications in biomedicine

期刊： Frontiers of Medicine

作者：Yanhui Liang, Fangbing Chen, Kepin Wang, Liangxue Lai

发表时间：15 Jun 2023

DOI：10.1007/s11684-023-1013-y

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导 读 碱基编辑器是一种基因编辑工具，与CRISPR/Cas9等其他传统人工核酸酶系统相比，碱基编辑器具有更精确和更安全的基因组编辑效果，故在生物医学领域有重要应用。中国科学院广州生物医学与健康研究所赖良学等在Frontiers of Medicine发表综述《碱基编辑器：生物医学的开发和应用》(Base editors: development and applications in biomedicine)，回顾了碱基编辑器最近的发展，总结了它们在生物医学领域的应用，并讨论了未来治疗应用的展望和挑战。

实现精确高效的基因组编辑是生命科学研究的关键目标，推动了CRISPR/Cas9技术的快速发展和广泛应用。自2012年以来，CRISPR/Cas9已成为最流行的基因组编辑工具。碱基编辑器的出现解决精确引入点突变这一挑战，能够直接转换目标碱基对，无需诱导DNA双链断裂（DSB）或无需供体DNA模板。近年来，研究人员优化了碱基编辑器，提高了其编辑效率和特异性，开发了多种新型编辑器，如C-to-G碱基编辑器（CGBEs）、腺嘌呤颠换碱基编辑器（AYBEs）、STEME等，以及针对RNA和线粒体DNA的编辑器。这些进展为生命科学、农业和生物医学研究提供了强大工具。表1对比了三种基于CRISPR的基因组编辑剂，有助于在不同应用中选择合适的编辑剂。中国科学院广州生物医学与健康研究所赖良学等概述碱基编辑器的最新进展，包括开发和医学相关应用，并讨论治疗研究的未来前景和现有挑战。

表1 基于CRISPR的典型基因组编辑剂的比较

目前，已有超过100种碱基编辑工具能够实现精确的碱基转换和随机突变，满足生物医学应用的需求。这些编辑器分为三类：核DNA碱基编辑器、线粒体DNA碱基编辑器和RNA碱基编辑器（RBEs）。核DNA碱基编辑器包括胞嘧啶碱基编辑器（CBEs）、腺嘌呤碱基编辑器（ABEs）、GBEs/CGBEs、AYBEs和双脱胺酶基础编辑器。线粒体DNA碱基编辑器如DddA衍生胞嘧啶碱基编辑器（DdCBEs），实现了mtDNA的高效编辑。RNA碱基编辑器用于可编程A-I替换的RNA编辑（REPAIR）和用于特定C-to-U交换的RNA编辑（RESCUE），能够在RNA水平上进行编辑。此外，引导编辑器（PEs）能够实现所有12种可能的碱基到碱基转换，扩大了基因组编辑的范围。这些编辑器的开发和应用为生命科学、农业和生物医学研究提供了强大的工具，但编辑精度和效率的提升仍然是研究的重点。

图1碱基编辑器开发的里程碑时间线。

图2不同碱基编辑器的原理图。

碱基编辑器彻底改变了基因组工程技术，能够以相当高的效率实现精确的单碱基分辨率。为了充分利用这些编辑器的潜力，特别是用于治疗应用，需要进一步优化以提高其有效性和安全性。本文主要关注两种最常见的碱基编辑器——CBEs和ABEs的优化。优化工作主要集中在提高碱基编辑器的目标效率、扩大目标范围、减少非目标编辑、最大限度地减少副产品和旁观者效应，以及缩小碱基编辑器的尺寸。这些优化工作包括使用更活跃的脱氨酶变体、密码子优化、核定位序列修改、引入额外的组件，如dCas9或单链DNA结合蛋白，以及设计具有可切割的脱氧胞苷脱胺酶抑制剂结构域的tBE系统。此外，还涉及工程化的高保真Cas9变体、双引导器策略以及使用更小的Cas直系同源物，如SaCas9、CjCas9、Nme2Cas9、SauriCas9和Un1Cas12f1。

本文重点总结碱基编辑器在医学领域的应用，显示了碱基编辑的巨大治疗潜力，主要体现在以下几个方面：碱基编辑器可以用来破坏基因表达，通过在蛋白质编码区域内创建提前终止密码子或改变启动密码子序列。此外，它们还可以用于控制同种型特异性基因表达，通过编程调整拼接事件。碱基编辑器能够高效地在DNA中安装致病点突变，从而为人类遗传疾病的建模提供重要工具，有助于加速从基础研究到治疗干预的进程。

图3 碱基编辑器在生物医学中的应用。

碱基编辑器可用于直接纠正核DNA中的疾病相关突变，或为体细胞组织提供治疗恢复。此外，RNA和线粒体DNA碱基编辑器也可用于纠正与疾病相关的mRNA和mtDNA突变。碱基编辑器已在动物模型中成功逆转致病突变，为人类遗传疾病的临床试验提供了基础。体外和体内两种策略都被用于治疗人类疾病。

碱基编辑器可以用来进行高通量基因功能筛选，因为它们能够在目标位点引入随机碱基替换。碱基编辑器可以用来进行单细胞遗传谱系追踪，为解开细胞谱系和命运决定提供了新的机会。碱基编辑器还可以用于在活细胞中记录各种刺激和事件，将感兴趣的刺激转化为细胞中持久的DNA变化。

总而言之，本文为碱基编辑器的研究和应用提供了全面的概述和深入的思考，对于推动碱基编辑技术的发展和临床应用具有重要的参考价值。自2016年以来，碱基编辑技术迅速发展，这些进步使碱基编辑器在基因筛选、单细胞追踪等领域得到重新应用。碱基编辑技术的发展正推动其在基因治疗领域的应用。然而，技术仍面临非靶效应、基因组不稳定性、体内递送难题等挑战。RNA碱基编辑器相对安全，但存在转换类型有限和递送问题。mtDNA碱基编辑器在临床应用前还需克服诸多挑战。此外，碱基编辑技术在生殖细胞编辑方面的伦理问题也不容忽视。

期刊介绍 Frontiers of Medicine专注于发表临床医学和基础医学领域的最新研究成果，旨在通过全球医疗专业人员之间的交流促进健康和医疗保健的发展。该刊采用严格的同行评审和编辑流程，确保发表的文章的科学准确性、新颖性和重要性。

原文信息

标题

Base editors: development and applications in biomedicine

作者

Yanhui Liang, Fangbing Chen, Kepin Wang, Liangxue Lai

机构

1. China-New Zealand Joint Laboratory on Biomedicine and Health, CAS Key Laboratory of Regenerative Biology, Guangdong Provincial Key Laboratory of Stem Cell and Regenerative Medicine, Centre for Regenerative Medicine and Health, Hong Kong Institute of Science and Innovation, Guangzhou Institutes of Biomedicine and Health, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510530, China

2. Research Unit of Generation of Large Animal Disease Models, Chinese Academy of Medical Sciences (2019RU015), Guangzhou 510530, China

3. Sanya Institute of Swine Resource, Hainan Provincial Research Centre of Laboratory Animals, Sanya 572000, China

4. Guangdong Provincial Key Laboratory of Large Animal Models for Biomedicine, Wuyi University, Jiangmen 529020, China

通讯作者 Liangxue Lai

引用这篇文章

Yanhui Liang, Fangbing Chen, Kepin Wang, Liangxue Lai. Base editors: development and applications in biomedicine. Front. Med. 2023;17(3): 359–387 https://doi.org/10.1007/s11684-023-1013-y

https://journal.hep.com.cn/fmd/EN/10.1007/s11684-023-1013-y

https://link.springer.com/article/10.1007/s11684-023-1013-y

感谢作者对Frontiers of Medicine的信任和支持。

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