托爾斯滕·斯塔福斯特在最糟糕的時候迎來了重大突破。2012 年，他在德國蒂賓根大學的團隊發現，透過將酶與工程 RNA 鏈連線，他們可以改變細胞中信使 RNA 分子的序列。本質上，他們可以改寫基因組的指令，從而製造蛋白質。
從理論上講，該過程可用於治療多種疾病，包括具有遺傳基礎的疾病以及那些可從蛋白質的數量或型別變化中獲益的疾病。但斯塔福斯特在發表這項發現時遇到了很多麻煩——它已經不再有趣了。他的發現被幾個月前 DNA 編輯工具 CRISPR-Cas9 可用於永久改變基因組的發現所掩蓋。
從那時起，CRISPR 已成為實驗室的固定裝置，並催生了許多旨在利用該技術開發藥物和療法的公司。斯塔福斯特說，由於 CRISPR 吸引了所有注意力，人們對他的論文反應冷淡。他們問道：“既然有 DNA 編輯技術，我們為什麼還需要這個？”
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但 CRISPR 編輯——至少作為一種人體治療技術——已被證明比最初想象的要困難。研究人員已經記錄了 Cas9（CRISPR 基因編輯中使用的一種酶）可能觸發免疫反應或導致對基因組的意外改變（這將是永久性的）的方式。相比之下，RNA 編輯可以讓臨床醫生進行臨時修復，消除蛋白質中的突變，阻止其產生或改變其在特定器官和組織中的工作方式。由於細胞會快速降解未使用的 RNA，因此療法引入的任何錯誤都會被清除，而不是永遠伴隨一個人。
人們對 RNA 編輯的興奮最終開始蔓延。根據摘要和引文資料庫 Scopus 的資料，2019 年，研究人員發表了 400 多篇關於該主題的論文。少數初創公司開始使用 RNA 編輯系統來開發針對各種疾病的潛在療法，從肌肉萎縮症等遺傳疾病到急性疼痛等暫時性疾病。儘管基於 RNA 的藥物由於遞送和耐受性方面的挑戰而難以進入市場，但過去幾年的一些監管批准可能有助於為 RNA 編輯療法鋪平道路。
仍有幾個障礙：當前的技術只能以幾種有限的方式改變 RNA 序列，並且讓該系統在人體內按預期工作將證明具有挑戰性。儘管如此，研究人員希望蛋白質工程等新技術以及改進的 RNA 遞送到細胞的方法可以幫助克服這些限制。斯塔福斯特說：“它真正開啟了一個我們以前從未見過的世界。”
RNA 的作用
分子遺傳學中的一個基本原則——其中心法則——是細胞機制忠實地將遺傳資訊從雙鏈 DNA 模板轉錄成單鏈 RNA 信使，然後將其翻譯成蛋白質。但在 20 世紀 80 年代，少數實驗室注意到，一些 mRNA 轉錄本包含 DNA 中未編碼的改變或額外的字母。這些發現引起了爭議，直到科學家發現了一類稱為 RNA 腺苷脫氨酶 (ADAR) 的酶。這些蛋白質與 RNA 結合，並透過將一種稱為腺苷的常見鹼基改變為一種稱為肌苷的分子來改變其序列。雖然肌苷不是規範的 RNA 鹼基之一，但細胞的蛋白質翻譯機制將其讀取為常見的鳥苷。大約在同一時間，還出現了一些其他 RNA 編輯酶。
在過去的三十年裡，科學家們一直在努力理解 RNA 編輯究竟完成了什麼。編輯者僅在雙鏈 RNA 上工作，雙鏈 RNA 有時會以調節元件或病毒的形式出現在細胞中。有人推測 ADAR 蛋白進化為對抗病毒的防禦機制，但許多具有雙鏈 RNA 的病毒不受這些酶的影響。編輯可能具有調節功能，但大多數成年組織不會產生編輯發生所需的高水平蛋白質。
猶他大學鹽湖城分校的生物化學家布倫達·巴斯是最早在青蛙胚胎中鑑定出 ADAR 的科學家之一。她說，沒有人發現對非蛋白質編碼 RNA（佔大多數編輯分子的 RNA）所做的改變的具體作用。編輯可能用於保護雙鏈 RNA 免受免疫攻擊。巴斯懷疑 ADAR 編輯雙鏈轉錄本，新增肌苷作為告訴身體不要管它們的一種方式。這些酶似乎也在胚胎髮育中發揮作用：缺乏 ADAR 基因的小鼠在出生前死亡或出生後不久死亡。編輯者似乎也在成年生物體的某些組織（如頭足類動物的神經系統）中發揮作用。
正是這種活性吸引了海洋生物學家約書亞·羅森塔爾在 21 世紀初關注 RNA 編輯。似乎高度智慧的頭足類動物，如魷魚、墨魚和章魚，廣泛使用 RNA 編輯來調整參與神經細胞發育和訊號傳輸的基因。已知沒有其他動物以這種方式使用 RNA 編輯。受這些觀察結果的啟發，羅森塔爾想知道是否有可能使用該系統來糾正治療環境中功能失調的基因產生的信使。2013 年，他在波多黎各聖胡安大學的團隊重新設計了 ADAR 酶，並將它們連線到引導 RNA，引導 RNA 將與 mRNA 中的特定點結合，從而產生雙鏈。有了這些，他們能夠編輯青蛙胚胎甚至培養皿中人類細胞中的轉錄本。
與斯塔福斯特類似，現在在馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋生物實驗室工作的羅森塔爾發現他的出版物基本上被忽視了。他了解到，一家名為 Ribozyme 的公司的研究人員也遭遇了類似的命運，該公司於 1995 年提出了透過將互補序列插入青蛙胚胎並允許 ADAR 編輯產生的雙鏈分子並糾正突變來“治療性編輯”突變 RNA 序列。
但在過去幾年中，多種因素匯聚在一起，使羅森塔爾和斯塔福斯特的發現浮出水面。加州大學戴維斯分校的化學家彼得·比爾說，2016 年發表的 ADAR 與雙鏈 RNA 結合的分子結構使該系統更易於理解，並使科學家能夠更好地設計該酶以增強其遞送或提高其效率。2018 年，美國食品和藥物管理局 (FDA) 批准了首個使用 RNA 干擾 (RNAi) 的療法：RNA 干擾是一種將一小段 RNA 插入細胞中的技術，在該細胞中，它與天然 mRNA 結合並加速其降解。荷蘭萊頓 ProQR Therapeutics 的首席創新官傑拉德·普拉滕伯格表示，該批准為其他涉及 mRNA 相互作用的療法打開了大門，ProQR Therapeutics 正在尋求各種基於 RNA 的療法。普拉滕伯格說：“從過去吸取教訓，隨著批准數量的增加，該領域已經成熟了很多。”
許多人認為 RNA 編輯是使用 CRISPR 等技術進行 DNA 編輯的重要替代方案。CRISPR 技術正在改進，但 DNA 編輯可能會導致基因組其他部位出現不需要的突變——“脫靶效應”——這可能會產生新的問題。
此外，羅森塔爾預計 RNA 編輯將被證明對非遺傳起源的疾病有用。他目前正在使用 ADAR 編輯編碼鈉通道 Nav1.7 的基因的 mRNA，該基因控制疼痛訊號如何傳輸到大腦。透過 DNA 編輯永久改變 Nav1.7 基因可能會消除疼痛感並破壞蛋白質在神經系統中的其他必要功能，但在特定組織中透過 RNA 編輯在有限的時間內降低其活性可能有助於緩解疼痛，而不會產生與傳統止痛藥相關的依賴性或成癮風險。
同樣，RNA 編輯可以讓研究人員模擬提供健康優勢的基因變異。例如，基因PCSK9（調節血液中膽固醇）中某些突變的人往往具有較低的膽固醇水平，而修飾PCSK9 mRNA 可以賦予類似的優勢，而不會永久性地破壞蛋白質的其他功能。德國海德堡德國癌症研究中心的免疫學家妮娜·帕帕瓦西里奧說，RNA 編輯可用於對抗腫瘤。一些癌症劫持重要的細胞訊號通路，例如那些參與細胞死亡或增殖的通路。她說，如果可以徵用 RNA 編輯器暫時關閉關鍵訊號分子，“我們可能會看到腫瘤死亡”。然後，患者可以停止治療，使通路恢復正常功能。
作為一種治療方法，與基於 CRISPR 的方法相比，RNA 編輯可能不太可能引起潛在的危險免疫反應。與來自細菌的 DNA 編輯酶 Cas9 不同，ADAR 是人類蛋白質，不會觸發免疫系統的攻擊。加州大學聖地亞哥分校的生物工程師普拉尚特·馬利說：“你真的不需要重型機械來靶向 RNA。”
在去年發表的一篇論文中，馬利和他的同事將引導 RNA 注射到出生時患有導致肌肉萎縮症的基因突變的小鼠體內。引導 RNA 旨在觸發一種名為抗肌萎縮蛋白的缺失蛋白質的產生。儘管該系統僅編輯了少量編碼抗肌萎縮蛋白的 RNA，但它使動物肌肉組織中的蛋白質恢復到正常水平的約 5%，這一數量已顯示出治療潛力。
在其他由蛋白質缺失或功能失調引起的疾病中，例如某些型別的血友病，“從無到有意義重大”，斯塔福斯特說，而且可能不需要編輯體內每個細胞中的 RNA。RNA 編輯的表現可能優於涉及注射新基因的基因治療形式。馬利和其他人表示，指導天然 ADAR 在細胞自身的 mRNA 上運作可能比引入外部工程基因提供更自然的反應。
然而，即使在實驗室應用中，RNA 編輯技術也遠非完美。“現在還處於早期階段，”巴斯說。“有很多問題。”由於 ADAR 的效率遠低於 CRISPR，因此它們可能不太適用於製造轉基因植物和動物。“作為一種研究工具，它非常有限，”加州斯坦福大學的遺傳學家金·比利·李說。
另一個主要缺點是 ADAR 只能對 RNA 進行幾種型別的更改。CRISPR 系統充當剪刀，透過在指定位置切割 DNA 並移除或插入新序列；ADAR 更像是一種覆蓋功能，它以化學方式更改字母，而不會破壞 RNA 分子的“骨幹”。
雖然此過程不太可能引起意外突變，但它限制了酶進行特定更改——ADAR 的情況是腺苷到肌苷，以及一組稱為 APOBEC 的酶的胞嘧啶到尿苷（參見“RNA 校正”）。還有其他一些可能性。例如，葡萄植物可以將胞嘧啶改變為尿苷，一些腫瘤可以將鳥嘌呤改變為腺苷。“生物多樣性正在為我們提供大量這些問題的答案，”羅森塔爾說。“我認為，從長遠來看，像魷魚這樣的生物將教會我們很多東西。”但他說，該領域的研究不足——研究人員不瞭解驅動這種編輯的過程。植物酶是否可以在人體細胞中發揮作用還有待觀察。
科學家們已經在尋找方法來設計可以擴充套件 RNA 編輯能力的新酶。“這是一個相當長的過程，你不知道會發現什麼，”馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院 (MIT) 的生物工程師奧馬爾·阿布達耶說。阿布達耶與麻省理工學院的 CRISPR 先驅馮張合作，將 ADAR 酶與 Cas13 連線起來。Cas13 是一種類似於 CRISPR 相關蛋白 Cas9 的細菌酶，它切割 RNA 而不是 DNA。研究人員改變了 ADAR 的序列，直到它可以將胞嘧啶轉化為尿苷。然後，他們在人類細胞中使用新系統來改變幾個基因編碼的 mRNA 中的鹼基，包括APOE。該基因的一種天然存在的基因變異與阿爾茨海默病有關，編輯它可以將變異轉換為無害形式。
阿布達耶和他的麻省理工學院合作者、生物工程師喬納森·古滕貝格承認，改變 ADAR 蛋白可能會導致免疫系統停止將其識別為天然人類蛋白，並攻擊含有該蛋白的細胞。但他們說，由於這些編輯很小，因此與已知關於免疫系統攻擊 Cas13 或用於將編輯工具遞送到細胞中的病毒的擔憂相比，這種風險相形見絀。
研究人員看到了稱為假尿苷化的自然過程的前景，其中一組蛋白質和 RNA 酶以化學方式修飾 mRNA 中尿苷的結構。與 ADAR 修飾不同，假尿苷化不會改變 mRNA 或蛋白質的序列。相反，由於原因尚不完全清楚，該過程穩定了 RNA 分子，並導致翻譯機制忽略指示其停止製造蛋白質的訊號。
將這些分子紅燈變成綠燈的能力可能非常強大。紐約州羅切斯特大學的生物化學家於一濤說，數百種遺傳疾病是由 DNA 突變引起的，這些突變在 mRNA 中產生不正確的終止訊號，導致蛋白質縮短，無法在體內正常發揮作用。“清單很長，”於一濤說，其中包括囊性纖維化、眼病赫勒綜合徵和多種癌症。
儘管 RNA 編輯仍處於早期階段，但研究人員和生物技術投資者對其廣泛潛力感到興奮。“我在它變得熱門之前就進入了這個領域，”帕帕瓦西里奧說，他正在嘗試繪製天然 ADAR 在體內的作用位置。“多年來，這是一個偏僻的領域，突然之間，每兩週就有一家公司湧現出來。”
許多初創公司和老牌 DNA 編輯公司都宣佈有意進軍 RNA 領域。其中包括馬薩諸塞州波士頓的 Beam Therapeutics，該公司由張鋒和劉如謙共同創立，一直在開發 CRISPR DNA 編輯作為幾種血液疾病的療法。總部位於聖地亞哥的 Locana 也在尋求基於 CRISPR 的 RNA 編輯，他們希望可以治療包括運動神經元疾病和亨廷頓病在內的疾病。
該行業面臨的挑戰是找出將引導 RNA 匯入細胞的最佳方法，而不會引發免疫反應或導致細胞降解它們。比爾說，這可能包括對工程 RNA 進行戰略性化學修飾以穩定它們，或將它們嵌入可以偷偷進入細胞的奈米顆粒或病毒中。
儘管 ADAR 已經存在於人體細胞中，但人體在大多陣列織中僅產生少量 ADAR，這意味著任何療法都可能需要新增 ADAR 或其他酶來增強細胞的編輯能力。用編碼 RNA 編輯所需的所有機制的基因包裝病毒可能效率不高。許多人希望沒有必要這樣做。
普拉滕伯格希望新增 RNA 並依靠天然存在的 ADAR 來幫助糾正導致視網膜疾病的 mRNA 的字母。他說：“我們使用大自然賦予我們的系統並利用它。”
包括斯塔福斯特在內的研究人員正在設計帶有化學修飾的引導 RNA，以吸引細胞中的 ADAR 到編輯位點。但一些研究人員擔心，徵用天然 ADAR 進入特定 mRNA 的編輯可能會將它們從正常任務中轉移開，並引起其他健康問題。改變身體某一部分的基因表達可能會以不可預見的方式影響其他部分。例如，在馬利的肌肉萎縮症研究中，小鼠出於未知原因出現了肝臟問題。“它仍然是一種開發中的工具，”他說。
“ADAR 的進化是為了讓身體能夠以非常有針對性的方式修飾鹼基，”馬薩諸塞州劍橋市生物技術公司 Korro Bio 的執行長兼聯合創始人內桑·伯明翰與羅森塔爾等人說。伯明翰對 RNA 編輯的前景持樂觀態度，但告誡不要超越生物學。“當我們開始完善這些技術時，我們還有很多工作要做，”他說。“我們不會排除任何可能性，但我們必須認識到某些侷限性。”
本文經許可轉載，並於2020 年 2 月 4 日首次發表。