乔治·丘奇最新论文：定向进化出更精准、高效的碱基编辑器

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

碱基编辑器（base editor）能够在不造成 DNA 双链断裂的情况下，实现单个碱基的精准转换。这种新一代基因编辑技术理论上可以纠正大多数已知的人类致病性单碱基突变，在治疗遗传疾病方面展现出巨大潜力。

然而，碱基编辑器中的脱氨酶在作用时，不仅会修改目标碱基，还可能对编辑窗口内的其他碱基进行修改，这就是所谓的“旁观者编辑”（bystander editing），这引发了人们对于碱基编辑技术在临床应用中的可行性和安全性的深刻担忧。

尽管研究人员已经尝试了多种策略来减少旁观者编辑，包括理性设计缩小编辑窗口的脱氨酶、改进向导RNA（gRNA）等，但这些方法往往以牺牲编辑效率为代价，且效果高度依赖于序列上下文。

2025 年 12 月 19 日，哈佛大学乔治·丘奇团队在Nature Biotechnology期刊发表了题为：Engineered base editors with reduced bystander editing through directed evolution 的研究论文。

该研究提出了一种多管齐下的方法，通过优化 gRNA 和脱氨酶来最小化旁观者编辑以提高碱基编辑精度，同时不牺牲其编辑效率。该研究建立了一个可扩展的碱基编辑器精准工程框架，解决了基因组编辑应用面临的一个重大挑战。

要想充分发挥碱基编辑在治疗应用中的全部潜力，就需要开发一种强大且灵活的方法来设计新的碱基编辑策略，同时实现编辑的高效性和精准性。

在这项最新研究中，研究团队提出了一种多管齐下的方法来设计新型碱基编辑系统，还系统在体外能保持高效率的同时将旁观者编辑降至最低。该策略整合了三种互补技术——

1）通过工程改造 gRNA 来减少旁观者编辑；

2）利用噬菌体辅助非连续进化（PANCE）技术选择性地进化出具有更高精度的碱基编辑器；

3）借助蛋白质语言模型（PLM）理性设计具有优化活性的脱氨酶。

为了对 gRNA 进行工程改造，研究团队设计并测试了一个包含约 60000 种不同 3' 端延伸的 sgRNA 库，即锚定向导 RNA（anchor-guide RNA，agRNA），以提高腺嘌呤碱基编辑器（ABE）的精度。从该库筛选出最有前景的 agRNA 候选者，然后将其作为噬菌体辅助非连续进化（PANCE）系统的一部分，以进化出更精确的 TadA-8e 酶。研究团队设计了一种巧妙的筛选回路，将碱基编辑活性与噬菌体复制能力关联，只有当碱基编辑其进在目标位点精确编辑（而非旁观者编辑）时，噬菌体才能有效复制，这种设计创造了一种双重选择压力，促进了碱基编辑器向更精准的方向进化，并成功鉴定出了几个编辑窗口更窄的变体。值得注意的是，研究团队通过 PANCE 进化得到的V28C变体在目标位点的编辑效率显著提高，同时旁观者编辑显著减少。对约 12000 个致病突变的编辑模式进行分析表明，在测试位点上，V28C 的精度约为 ABE8e 的两到三倍，效率提高了约 20%。

为了进一步优化碱基编辑器的精度和效率，研究团队利用蛋白质语言模型（PLM）来预测可提高 TadA-8e 脱氨酶精度和效率的突变，在预测的 21 个可能有益的突变中，M151E突变在实验验证中显著缩小了编辑窗口，同时提高了目标位点的编辑效率。

为了进一步验证这些碱基编辑器的性能，研究团队在两个临床相关场景中进行了测试，结果显示，V28C变体对心血管疾病相关靶点 PCSK9 和早发性帕金森病相关突变 SNCA E46K 突变实现了高效且高精度编辑。

总的来说，通过整合 gRNA 工程、定向进化和机器学习，这项工作提供了一种系统策略，能够在不降低编辑效率的情况下提高碱基编辑的精度。这些进展为更安全、更有效的碱基编辑治疗应用开辟了道路。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41587-025-02937-w