Nat Biotechnol | 赵天萌团队开发新型高纯度低脱靶碱基编辑工具QBEmax

碱基编辑技术可以在动植物基因组中实现精准的碱基替换和基因敲除。不同于CRISPR-Cas9，碱基编辑不依赖于DNA双链断裂，因此可极大地避免由DNA双链断裂导致的细胞毒性【1, 2】。然而，近年的研究发现，碱基编辑产物中还可伴随产生一部分非目标类型的碱基替换及indel副产物；此外，融合的脱氨酶组分也被发现可引起不依赖于Cas蛋白的脱靶效应，在应用上具有一定的隐患。因此，提升现有碱基编辑技术的精准性和安全性，在技术的转化应用上具有重要价值。

近日日，北京齐禾生科生物科技有限公司在Nature Biotechnology在线发表了题为QBEmax is a sequence-permuted and internally-protected base editor的研究论文，该研究报道了一种新型碱基编辑系统QBEmax，实现了对碱基编辑技术的全方位升级优化：在保持高效编辑的同时，表现出更灵活的编辑窗口，显著降低的indel和DNA、RNA脱靶，以及显著提升的产物纯度。

不同于常规碱基编辑系统中 (如目前广泛应用的BE4max系统【3】) 将脱氨酶直接融合在Cas蛋白的末端，本研究创新性地在将Cas蛋白的功能域进行整体性的结构重排的同时，将脱氨酶内嵌到重排蛋白的特定区域中，获得一系列具有新的整体构象的碱基编辑器，从中筛选获得一个具有突出编辑表现的碱基编辑器，命名为QBEmax。编辑副产物 (包括indel和不纯碱基编辑) 及脱靶效应是应用碱基编辑技术在疾病治疗时关注的重要问题。在整体编辑效率与BE4max相当的同时，QBEmax引发的indel副产物显著降低，平均降幅56.6%；编辑产物纯度则显著提升，达到99.4±0.4%。本研究通过R-loop实验和转录组测序，分析了QBEmax的脱靶效应。结果显示，相较于BE4max，QBEmax的DNA和RNA脱靶均显著降低，其中，DNA脱靶降低40-83%，RNA脱靶降低29%，碱基编辑的精准度显著提升。

CAR-T细胞疗法是一类极具潜力的靶向细胞疗法。研究发现，通过基因编辑敲除多种与免疫排异和移植物抗宿主病 (GvHD) 相关的基因有助于提升CAR-T的体内效力，有助于靶向癌症药物和自免细胞药物的开发。在此类应用场景下，产物纯度至关重要，因非纯编辑产物可能导致新的碱基突变产生，引发额外风险。QBEmax精准、干净、安全的编辑特性有望为此类应用场景提供有力的工具支持。为此，本研究选择了被报道可能与免疫排异和GvHD相关的5个靶基因(CISH, Fas, PD-1, TGFBR2, TRAC, 其中TGFBR2敲除endodomain)，进行多重基因敲除。结果显示，QBEmax在5个基因的平均编辑效率均与BE4max相当或更高；与此同时，indel显著减低，产物纯度则显著提高。在永生化的T细胞系Jurkat细胞中的表现类似。进一步地，在仅以QBEmax蛋白融合的荧光蛋白进行单一荧光流式分选的情况下，即在89.3%的单克隆中检测到5基因同时被编辑，展现了QBEmax高效的多重基因编辑能力。

为探究QBEmax优越编辑特性的结构基础，研究人员基于AlphaFold3预测的QBEmax蛋白-sgRNA-target DNA三元结构，进行了分子动力学模拟和溶剂可及性分析。结果显示，QBEmax的环化重排和脱氨酶内嵌设计使其相较于BE4max呈现出更为稳定和紧凑的整体结构，内嵌的脱氨酶在空间上具有更小的自旋半径，对R-loop中暴露的单链DNA区域可能起到一定的保护作用，减少了UNG的可及性，从而提高了产物纯度，降低了indel的发生和脱靶效应。

综上，QBEmax碱基编辑工具实现了对碱基编辑技术的全方位优化，在保持高效多重基因编辑能力的同时，产物纯度显著提高，indel副产物和脱靶水平显著降低，有望为包括CAR-T细胞编辑在内的精准基因编辑应用场景提供有力的技术平台。

北京齐禾生科生物科技有限公司胡佳成博士为论文第一作者；北京齐禾生科首席技术官赵天萌 (Kevin Zhao) 博士为论文通讯作者；齐禾生科郭梦月、高强、贾鹤、贺名扬、王志伟、郭丽娜、刘关稳博士、高权对本研究有重要贡献。

https://www.nature.com/articles/s41587-025-02641-9

制版人： 十一

参考文献

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3.Koblan, L.W. et al. Improving cytidine and adenine base editors by expression optimization and ancestral reconstruction.Nat. Biotechnol.36, 843-846 (2018).

4.Huang, T.P. et al. Circularly permuted and PAM-modified Cas9 variants broaden the targeting scope of base editors.Nat. Biotechnol.37, 626-631 (2019).

5.Jiang, L. et al. Internally inlaid SaCas9 base editors enable window specific base editing.Theranostics12, 4767-4778 (2022).

6.Chu, S.H. et al. Rationally Designed Base Editors for Precise Editing of the Sickle Cell Disease Mutation.CRISPR J.4, 169-177 (2021).

7.Nguyen Tran, M.T. et al. Engineering domain-inlaid SaCas9 adenine base editors with reduced RNA off-targets and increased on-target DNA editing.Nat. Commun.11, 4871 (2020).

8.Wang, Y., Zhou, L., Liu, N. & Yao, S. BE-PIGS: a base-editing tool with deaminases inlaid into Cas9 PI domain significantly expanded the editing scope.Signal Transduct. Target. Ther.4, 36 (2019).

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