Nat Biotechnol | RNA脱氨酶ADAR跨界编辑DNA--工程化改造实现高精度A-G碱基编辑

撰文|木兰之枻

2017年，哈佛大学David Liu实验室通过对腺嘌呤脱氨酶TadA进行定向进化，开发出腺嘌呤碱基编辑器（adenine base editor，ABE），可在DNA层面实现A·T到G·C的碱基转换，为众多致病点突变的精准修复提供了重要工具【1】（详见BioArt报道：）。2025年，研究人员利用ABE技术对CPS1缺乏症患儿实施的个体化体内治疗取得了重大突破，进一步凸显了ABE的临床转化潜力【2】。然而，传统ABE系统中的TadA脱氨酶对单链DNA具有极高的催化活性，当编辑窗口内存在多个邻近的腺嘌呤（A）时，极易引发旁观者编辑（bystander editing），从而带来安全隐患。尽管此前研究者已尝试通过改造脱氨酶或优化gRNA等多种策略来抑制旁观者效应，但编辑效率与精准度之间往往存在掣肘，导致整体优化效果有限【3-4】。因此，如何突破这一瓶颈，实现真正意义上的单碱基精准编辑，仍是当前碱基编辑领域亟待解决的核心挑战。

近日，来自首尔大学医学院的Sangsu Bae团队在Nature Biotechnology在线发表了题为Engineered ADARs enable precision A-to-G base editing of DNA的论文。文章突破传统ABE对TadA脱氨酶的依赖，通过对靶向双链RNA的腺苷脱氨酶ADAR进行工程化改造，开发出了具有单碱基精度的新工具snuABE（single-nucleotide-resolution ABE），为碱基编辑器的构建和优化提供了全新的思路。

前期体外研究表明，ADAR能够对DNA:RNA杂合双链中DNA链上的腺嘌呤（A）进行编辑【5】。基于此，研究人员尝试将携带高活性突变（E488Q）的人源ADAR2脱氨酶结构域（hADAR2dd）与多种Cas9突变体融合，以评估其DNA编辑活性。结果表明，当hADAR2dd融合于nCas9（H840A）突变体的N端，并结合3’端延长的靶腺嘌呤向导RNA（target-adenine guide RNA, tagRNA）时（3'延伸序列能与目标DNA配对并在特定腺嘌呤处形成A:C错配），可在HEK293T细胞中实现DNA层面的精准碱基编辑。以FANCF靶位点为例，传统的ABE8e系统会同时编辑A12、A13和A18，而初代snuABE系统则能够精准靶向A12（编辑效率约为1.1%）。尽管初始效率较低，但该结果首次在哺乳动物细胞中验证了利用ADAR实现DNA位点特异性A-G编辑的可行性。

随后，研究者对来自20个物种的22种ADAR同源物进行了系统筛选，发现人虱（Pediculus humanus）来源的PhADARdd（E438Q突变型）表现最优，特定靶位点的DNA编辑效率可达6.0%。借鉴引导编辑器（PE）的优化经验，研究者实施了多项改造策略：在Cas9中引入R221K和N394K突变、增设内部SV40及C端c-Myc核定位信号（NLS），并利用RNA结合蛋白La保护tagRNA的3'末端。优化后的snuABE3.1精准编辑效率分最高可达20.0%。研究还指出，仅需调整tagRNA中的A:C错配位置即可实现靶点腺嘌呤的切换，这证实了snuABE优良的单核苷酸选择性。综合脱靶评估显示，snuABE在DNA层面具有极高的靶向特异性，但在转录组（RNA）水平仍存在一定的脱靶风险。

为进一步突破效率瓶颈，研究者基于EvolvePro大模型开展了五轮“计算预测-实验验证”的定向进化迭代，发现点突变如E438Q/I536S/E637F可显著增强编辑活性。在此基础上，通过在非靶向DNA链引入切口向导RNA（ngRNA），snuABE的最高编辑产率跃升至50.0%。机制探究进还指出，细胞的DNA错配修复（MMR）通路会限制snuABE的活性，通过共表达显性负性MLH1（dnMLH1）或利用AI设计的微型MLH1结合抑制蛋白（MLH1-SB），均能有效解除MMR的压制并大幅提高编辑效率。

在应用拓展方面，研究者在HEK293T、HeLa、K562细胞及患者来源的成纤维细胞中，成功靶向多个疾病相关突变位点，证实了snuABE的治疗潜力。此外，研究者还通过水动力尾静脉注射在小鼠模型中初步验证了其在体内实现精准碱基编辑的可行性。然而，现阶段的snuABE仍存在局限性：其在人诱导多能干细胞（iPSCs）中的最高编辑效率仅为1.4%，体内肝脏整体编辑效率也仅约2%，距离临床转化尚有巨大的提升空间。

综上所述，本研究巧妙利用了ADAR脱氨酶对错配腺嘌呤的天然识别活性，通过构建A:C错配的DNA:RNA杂交双链，设计出“由tagRNA精准锚定目标碱基”的全新A-to-G碱基编辑策略。与传统ABE系统相比，snuABE不仅展现出单核苷酸级别的精准度，还改善了DNA脱靶效应，提供了一种全新的基因编辑范式。

不过snuABE目前的总体活性仍显著低于经典ABE，且靶向效率受序列上特性影响较大。此外，tagRNA、ngRNA以及MMR抑制元件的引入增加了系统的整体尺寸与复杂度，且长期安全性亦有待系统评估。尽管如此，snuABE的出现仍为现有碱基编辑器和引导编辑器提供了有力的补充，未来的进一步优化有望为单碱基精度基因治疗提供新的技术选择。

https://doi.org/10.1038/s41587-026-03223-z

制版人： 十一

参考文献

1. Gaudelli, N.M. et al. Programmable base editing of A*T to G*C in genomic DNA without DNA cleavage.Nature551, 464-471 (2017).

2.Musunuru, K. et al. Patient-specific in vivo gene editing to treat arare genetic disease.N. Engl. J. Med.392, 2235–2243 (2025).

3. Perrotta, R. M. et al. Engineered base editors with reducedbystander editing through directed evolution.Nat. Biotechnol. (2025).

4. Shang, M. et al. A motif preferred adenine base editor withminimal bystander and off-targets editing.Nat. Commun.16, 9153(2025).

5. Zheng, Y., Lorenzo, C. & Beal, P. A. DNA editing in DNA/RNAhybrids by adenosine deaminases that act on RNA.Nucleic AcidsRes.45, 3369–3377 (2017).

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