创新背景

基因编辑技术的出现为那些原本无药可医的遗传性疾病带来了希望。近年来，多项人体临床试验也证明了以CRISPR为代表的基因编辑技术的潜力。

碱基编辑器（base editor，BE）是美国Broad 研究所刘如谦团队自2016年以来陆续开发和改进的一类基于CRISPR的精准基因编辑平台。与CRISPR-Cas9相比，碱基编辑可以在不切割DNA的情况下实现对单个碱基的精准编辑，也不依赖于DNA双链断裂，因此几乎不会产生基因插入或缺失、染色体缺失或易位、染色体非整倍体、染色体碎裂等潜在副作用，是更安全的基因编辑方式。

然而在实际应用中，尤其是向体内递送碱基编辑器时存在着一些挑战。体内基因编辑最常用、最高效的递送载体是腺相关病毒（AAV），然而AAV的装载能力仅4.7kb，碱基编辑器超过了AAV的装载限制，而且除了碱基编辑器本身，还需要gRNA、启动子序列、顺式调控元件，因此单个AAV载体难以装载。目前普遍采用的策略是通过两个单独的AAV分别递送碱基编辑器的编码序列的一部分，然后让其在递送后翻译并组装成完整的碱基编辑器。这种双AAV载体的递送策略，有两个明显的不足，一是降低了基因编辑效率，二是需要更高的AAV剂量，而高剂量AAV可能会导致免疫原性和肝毒性。这在一定程度上限制了碱基编辑技术的临床应用和发展。因此，如果能开发出单AAV碱基编辑系统，将大大简化碱基编辑器的应用、表征和制造，还能提高编辑效率、降低所需的AAV剂量，从而减少潜在的毒性副作用。

腺嘌呤碱基编辑器（ABE）是一类特别有用的碱基编辑器，ABE能够介导 A·T → G·C 的转换，而这一转换可以修正大约一半已知的单碱基突变导致的疾病。

ABE8e是刘如谦团队于2020年3月，使用噬菌体辅助连续进化（PACE）开发出的更高效的腺嘌呤碱基编辑器，仅包含单个TadA脱氨酶结构域，具有更小的尺寸。

创新过程

美国Broad 研究所刘如谦团队于2022年7月28日在 Nature 子刊 Nature Biomedical Engineering 发表了题为：Efficient in vivo base editing via single adeno-associated viruses with size-optimized genomes encoding compact adenine base editors 的研究论文。研究团队开发了一套紧凑型腺嘌呤碱基编辑器，能够使用单AAV载体递送并在肝脏、心脏、肌肉等组织中实现高效碱基编辑，编辑效率优于双AAV载体。实验证明，这项新技术能够降低目标蛋白水平90%以上，同时血浆胆固醇和甘油三酯也显著降低。

在这项最新研究中，刘如谦团队构建了小型化的、高活性的ABE8e变体——saABE8e，并确定了AAV基因组上最少的必要性顺式作用元件，以开发具有广泛体内靶向能力的高效单AAV载体。

然后，刘如谦团队使用三种紧凑型的CjCas9（2.95kb）、Nme2Cas9（3.24kb）和SauriCas9（3.18kb） 来进一步开发，这些变体具有广泛的PAM序列兼容性，原则上可对人类基因组中约82%的腺嘌呤进行碱基编辑。研究团队利用这些ABE8e变体实现了使用单个AAV载体递送腺嘌呤碱基编辑器。

接下来，研究团队在小鼠体内分别进行了编辑人PCSK9基因、小鼠Pcsk9基因、小鼠Angptl3基因的验证试验。实验结果显示，在肝脏中的编辑效率平均为50%左右，靶蛋白水平更是下降了90%以上，此外，总胆固醇和甘油三酯也显著降低。而其中，PCSK9和Angptl3基因是已知的心血管疾病相关风险基因，降低这两个基因的表达，均能降低低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）水平，从而达到预防和治疗心血管疾病的效果。

这一单AAV腺嘌呤碱基编辑系统能够实现强大的体内碱基编辑，而且具有广泛的PAM序列兼容性，在肝脏、心脏和肌肉组织中分别可实现优于双AAV载体的高达66%、33%、22%的碱基编辑效率，当与双AAV载体同剂量时，单AAV载体递送的编辑效率在心脏中增加2.1倍，在肌肉中增加2.5倍。

与目前使用的双AAV载体策略相比，该研究开发的单AAV腺嘌呤碱基编辑系统只需生产单个AVV载体，能够提高效率、降低复杂性，减少给药剂量，从而降低潜在毒性作用。

此外，单AAV腺嘌呤碱基编辑系统可以使用多种血清型的AAV（该研究中使用了AAV8和AAV9），这有助于在肝外组织进行递送。对于脂质纳米颗粒（LNP）递送最有效的肝脏，该单AAV腺嘌呤碱基编辑系统的效果与之相当，而对于心脏等LNP无能为力的器官，单AAV腺嘌呤碱基编辑系统将大有可为。

创新关键点

该研究通过优化腺嘌呤碱基编辑器和AAV病毒载体组件的大小，开发了一套单AAV腺嘌呤碱基编辑系统。该编辑系统可在肝脏、心脏和肌肉组织中分别可实现高达66%、33%、22%的碱基编辑效率，同时还能够降低复杂性，减少给药剂量。对于心脏等LNP无能为力的器官，这项单AAV腺嘌呤碱基编辑系统将大有可为。