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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，所有新生兒都會接受這種遺傳疾病的篩查。經發現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在體內堆積。過量的苯丙氨酸會遲滯精神和運動發育。如果這種遺傳疾病不及時加以治療的話，兒童可能會遭受嚴重的精神殘疾。
這種代謝障礙的病因是編碼苯丙氨酸羥化酶（phenylalanine hydroxylase, Pah）的基因發生突變。這種由肝細胞產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突變基因拷貝和從父親那里遺傳一個突變基因拷貝，那么就會患上這種疾病。到目前為止，這種疾病仍然是無法治愈的。
改進的CRISPR/Cas9系統
在一項新的研究中，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院和蘇黎世大學的研究人員利用一種方法糾正肝細胞中的兩個突變基因拷貝，從而治愈這種疾病。他們取得成功，至少是在小鼠體內。相關研究結果發表在2018年10月的Nature Medicine期刊上，論文標題為“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邦理工學院的Gerald Schwank教授。
圖片來自Nature Medicine, doi:10.1038/s41591-018-0209-1。
在利用一種酶加以強化的CRISPR/Cas9系統的幫助下，這些研究人員改變了成年小鼠中這兩個突變基因拷貝中的堿基序列。這些經過校正的肝細胞能夠產生功能性的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）加以強化的CRISPR/Cas9系統結合到這兩個需要被校正的基因拷貝上，并且在局部打開DNA雙鏈。胞苷脫氨酶將致病性的DNA堿基對C-G轉化為健康人體內對應基因組位點上存在的堿基對T-A。這能夠校正Pah酶編碼基因中的DNA堿基錯誤。
在傳統的CRISPR/Cas編輯中，誘導DNA雙鏈斷裂是基因組編輯的核心要素。雙鏈DNA在一個確定的位點上被切割，隨后細胞試圖通過多種機制修復這種切割。如果將一種外源性的匹配DNA序列導入到細胞中，那么它能夠讓一種特定的修復機制地修復特定的基因序列。問題在于大多數人細胞主要使用其他的DNA修復機制，這些修復機制會產生額外的不想要的突變。
更的基因組編輯
這些研究人員意識到這種新的基因組編輯工具比傳統的CRISPR/Cas9方法更有效：在小鼠肝臟中，高達60%的所有突變基因拷貝得到校正。這導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移到肝細胞中，這些研究人員將所需的基因導入到腺相關病毒（AAV）中，隨后將AAV病毒注射到小鼠的血液中。這種病毒感染肝細胞，從而將編碼這種基因組編輯工具的基因導入到肝細胞中。
治愈其他的代謝疾病
Schwank說，“這種方法在人體中具有很大的應用潛力。”然而，這項研究僅是概念驗證。還需在其他動物模型中開展臨床前研究以便測試這種新型基因組編輯工具在人體中使用時的功效和安全性。
之前的基因組編輯方法在動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，科學家們在成年小鼠肝臟中取得的校正率僅為百分之幾而已。“在這項新的研究中，我們實現的編輯率提高了好幾倍---到目前為止還沒有人能夠做到這一點。”
Schwank認為這種新型基因組編輯工具的風險是較低的。在小鼠模型中應用這種編輯工具后，這些研究人員尋找了脫靶突變，即在不應該發生突變的位點發生了突變。但是，他們沒有找到任何脫靶突變。Schwank希望在后續研究中更仔細地研究這一點。Schwank強調道，“人體肝臟由數十億個細胞組成。在這些細胞中，我們都不想誘導任何可能導致癌癥的突變。”還需要進行測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引起任何不良反應。（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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