論文截圖

“生命是一串復雜的密碼”。

人類有兩萬多個基因，儲存著生命從生長到凋亡的全部信息。從發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)，到解讀、編寫DNA，科學家們不遺余力地探索DNA的秘密，賦予生命規(guī)律以科學意義。

8月2日，一項發(fā)表于《自然—通訊》的研究，提供了利用多重復合的堿基編輯技術(shù)在人類基因組中能將蘊藏遺傳信息的堿基序列TAG轉(zhuǎn)換為TAA的技術(shù)框架，并一次轉(zhuǎn)染成功實現(xiàn)了多達33個基因位點的同步編輯，將來結(jié)合蛋白質(zhì)工程化可賦予細胞抗病毒的能力。

該研究為哺乳動物基因組多重復合編輯，以及基因組重編碼制備抗多種天然病毒人類細胞系提供了方向與路徑。

深圳先進院合成所陳宇庭博士（前哈佛大學醫(yī)學院博士后），哈佛大學醫(yī)學院Eriona Hysolli博士，哈佛大學陳安璐博士和哈佛大學Stephen Casper為共同第一作者；哈佛大學醫(yī)學院George Church教授、深圳先進院合成所劉陳立研究員與哈佛大學醫(yī)學院Eriona Hysolli博士為共同通訊作者。

編寫生命體的“摩斯密碼”

戰(zhàn)爭時期，人們通過摩斯密碼傳遞信息。而在生命體中，也蘊藏著一串“遺傳密碼”。

在DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，A、T、C、G是其結(jié)構(gòu)上的堿基，通過不同的堿基配對，最終可以排成64個密碼子，這被成為生命的“遺傳密碼”包括了能夠編碼20種天然氨基酸的61個密碼子，以及作為終止信號的3個密碼子。而該成果正是利用基因組重編碼技術(shù)針對“遺傳密碼”進行編碼，旨在賦予生命體或細胞以抗病毒能力。

2016年，George Church等人提出了GP-write，旨在從被動讀取基因組轉(zhuǎn)向主動編寫基因組，利用生物工程技術(shù)以解決人類面臨的許多全球問題，如病毒感染、瀕危物種增多、氣候變暖等。2018年，GP-write發(fā)起者們提出了基因組重編碼來構(gòu)建抗病毒人類細胞系計劃。

在此基礎(chǔ)上，研究團隊提出了一個潛在方案來制備抗病毒人類細胞系，即在全基因組范圍內(nèi)將終止密碼子TAG轉(zhuǎn)化為TAA，并將內(nèi)源性真核釋放因子替換為具有選擇性通讀的工程化突變體，使得人類細胞系具有抗病毒的能力。

研究初期，為了快速且精準地定位DNA密碼子的具體位置，研究團隊自主研發(fā)了GRIT軟件。

“GRIT軟軟件就像一個‘搜索引擎’，它能夠在全基因組范圍內(nèi)進行搜索、定位所需要的密碼子，同時能夠提供改造密碼子所需的向?qū)NA（gRNA）。我們利用GRIT軟件識別了人類基因組中所有的TAG密碼子，并合成了將TAG轉(zhuǎn)換為TAA的gRNA，用于堿基編輯，”陳宇庭說道。

隨后，他們借助多個gRNA同步遞送及胞嘧啶堿基編輯器（CBE）穩(wěn)定表達進行非靶向鏈C到T修改，成功實現(xiàn)將TAG轉(zhuǎn)換為TAA，并通過全基因組測序、RNA測序、核型分析3種方式對單克隆細胞的轉(zhuǎn)換結(jié)果進行評估，結(jié)果顯示一次轉(zhuǎn)染成功實現(xiàn)了33個基因位點的同步編輯，且沒有觀察到細胞基因表達異常及明顯的染色體異常等。

基因編碼邁出“抗病毒”第一步

人類基因組重編碼是一個系統(tǒng)而復雜的基因組工程。在本研究中，從識別基因組位置到多位點基因編輯，再將每個可實現(xiàn)的技術(shù)環(huán)節(jié)形成最終系統(tǒng)的、可操作的工作框架是難點之一。

研究團隊歷時4年，經(jīng)過數(shù)次模擬、實踐與驗證后，成功構(gòu)建了在人類全基因組范圍內(nèi)將TAG終止密碼子轉(zhuǎn)換為TAAs的工作框架，同時也在技術(shù)上實現(xiàn)了通過一次轉(zhuǎn)染在單個克隆中多達33個基因位點編輯。

該研究邁出了基因組重編碼制備抗多種天然病毒人類細胞系的第一步，初步證明了TAG轉(zhuǎn)換為TAA在人類基因組中的可行性，同時創(chuàng)造了一次遞送在人類基因組中數(shù)十個非重復位點同步堿基編輯的記錄，為哺乳動物基因組的大規(guī)模工程化改造提供了一個工作框架。

如今，讀取DNA密碼的技術(shù)日漸精進，但主動、高效、多位點的編寫或編輯DNA密碼來制備抗病毒的細胞系仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

“我們雖在多位點基因編輯技術(shù)上有了階段性的突破，但在抗病毒細胞系的制備仍有多工作需要做。例如，需要針對更多位點進行基因編輯，并優(yōu)化各個技術(shù)環(huán)節(jié)，蛋白質(zhì)工程化改造等，”陳宇庭表示，研究團隊將利用基因組重編碼技術(shù)在提升細胞系抗病毒能力方面進一步研究，“通過這一研究，希望能夠吸引更多人關(guān)注到基因組大規(guī)模編輯或編寫及重編碼制備抗病毒細胞系這一領(lǐng)域，共同進行下一步的研究”。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31927-8

（原標題《邁出基因組重編碼制備抗病毒人類細胞系的第一步》）