目前在活细胞中建模或修正突变的方法并不是很有效，尤其是在多重突变方面——即在整个基因组中同时进行多个点突变。然而，研究人员创造了新的有效的基因组编辑工具，称为多重正交碱基编辑器（MOBEs），可以用来同时进行多个点突变。
人类基因组由大约30亿个碱基对组成，尽管这个数字庞大，但在人类的遗传构成上，99.6%是相同的。剩下的0.4%代表了个体之间的差异。这些碱基对中特定的突变组合提供了关于人们之间差异和相似性的重要信息。复杂的健康问题，如心脏病和精神退行性疾病如精神分裂症，具有多种原因。目前的在活细胞中建模或修复突变的技术并不是很有效，特别是在多重突变方面——即在整个基因组中同时进行多个点突变。来自加州大学圣地亚哥分校的研究小组创造了新的基因组编辑工具，称为多重正交碱基编辑器（MOBEs），以有效地同时引入多个点突变。该研究由化学和生物化学助理教授Alexis Komor的实验室领导，发表于《自然生物技术》期刊。
Komor的团队专注于比较单个字母变化的基因组，也称为C（胞嘧啶）、T（胸腺嘧啶）、G（鸟嘌呤）、A（腺嘌呤）碱基。这些单核苷酸变异（SNVs）或单点突变可以导致一个人出现400万到500万种变异。其中一些变异是无害的，而其他变异可能是有害的，通常是变异的组合导致了疾病。
利用基因组进行疾病建模面临挑战，因为可能的变异数量庞大。科学家需要确定哪些变异与特定疾病相关。
如果发现特定的遗传突变是心脏病的原因，研究人员可以分析一组所有受心脏病影响个体的遗传构成。然而，任何两个人之间的巨大差异使得确定哪些具体的变异组合导致疾病变得极具挑战性。
“遗传变异的解释带来了重大挑战。事实上，已识别的变异中大多数没有临床分类，所以我们对它们是否导致疾病或无害缺乏理解，”来自该大学化学和生物化学系的博士毕业生、该研究的主要作者Quinn T. Cowan解释道。“我们的目标是开发一种专门用于疾病评估的工具。”
基因编辑的进展
为了理解开发MOBEs背后的目的，重要的是要认识到传统基因编辑工具CRISPR-Cas9的局限性。CRISPR-Cas9利用引导RNA，起到指引的作用，将其导向需要编辑的特定基因组位置。Cas9是切割DNA的酶，它会切断DNA的两条链，导致完全断裂。
尽管这个过程相对简单，但双链断裂对细胞可能是有害的。这种基因编辑可能是有毒的，这就是为什么创造MOBEs。这些MOBEs允许在受控实验室环境中研究多个变异。
使用CRISPR-Cas9进行编辑的过程可能导致插入缺失（indels），即在DNA中随机插入和删除，细胞无法完美地自我修复。使用CRISPR-Cas9编辑多个基因会增加与该技术相关的潜在风险。Komor的实验室没有使用CRISPR，而是利用了她开发的碱基编辑方法。这种技术引入化学变化到DNA中，允许一次修改一个字母，比如将C更改为T或将A更改为G。与CRISPR方法不同，CRISPR方法一次切除整个DNA片段，而碱基编辑一次只删除和替换一个字母。尽管这一方法较慢，但更高效，对细胞造成的伤害更少。通过同时应用两个或更多碱基编辑器，有可能实现更高的效率。精确修改DNA的能力（例如，在基因组中的一个位置将C更改为T，将A更改为G）使得更好地理解和建模多基因疾病成为可能——这些疾病是由多个遗传变异引起的。然而到目前为止，还没有一种技术能够有效地做到这一点，而不造成引导RNA的“交叉干扰”，这发生在碱基编辑器进行不必要的改动时。
Cowan的MOBEs使用一种称为适体的RNA结构——小RNA环，能够与特定蛋白质结合——将碱基修饰酶招募至特定的基因组位置，使得能够以高效率和较低的交叉干扰同时编辑多个位点。
该系统创新且独特。这是第一次在独立的情况下利用适体结合ABE（腺苷碱基编辑器）和CBE（胞嘧啶碱基编辑器）来创建MOBEs。差异是显著的：当不使用MOBE时，CBE和ABE联合施用时交叉干扰发生的频率可高达30%。而使用MOBE时，交叉干扰低于5%，同时实现所需碱基变化的30%转换效率。这项研究作为一种概念验证，用于评估MOBE系统的潜力，该系统已经申请了临时专利。为了进一步测试这些系统，团队进行了各种案例研究，涉及与某些多基因疾病相关的实际应用病例，如Kallmann综合症，一种罕见的激素失调。它们的研究表明，MOBE系统能够有效地编辑与某些多基因疾病相关的特定细胞系。
“我们目前正在将这些质粒放在AddGene上，以便任何人都可以自由获取。我们的目标是让其他科学家使用MOBEs来模拟遗传疾病，了解其症状，并最终开发有效的治疗方法，”Cowan解释道。
这项研究得到了美国国立卫生研究院（1R35GM138317，T32 GM008326和T32 GM112584）以及科学进步研究公司（28385）的资助。
