QBEmax：一种高效精准的碱基编辑器，为基因编辑治疗带来新曙光

时间：2025年4月22日

来源：Nature Biotechnology

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在基因编辑领域，胞嘧啶碱基编辑器（CBEs）用于多重基因敲除时存在编辑不纯、插入缺失（indels）和脱靶等问题。研究人员开展了 QBEmax 碱基编辑器的相关研究，结果显示 QBEmax 效率高、indels 和脱靶率低、产物纯度高。该研究成果发表在《Nature Biotechnology》上。

在生命科学研究和医学治疗领域，基因编辑技术是一项关键的前沿技术，尤其是碱基编辑器的出现，为纠正致病基因突变和基因功能研究带来了新的希望。然而，目前常用的胞嘧啶碱基编辑器（CBEs）在用于多重基因敲除时却存在不少问题。比如，编辑过程中常常出现不纯的编辑结果，会产生诸如 C-to-G 和 C-to-A 这类不想要的副产物；同时，插入缺失（indels）现象频繁发生，这可能导致基因功能的异常改变；而且，脱靶问题也不容忽视，脱靶编辑可能会对基因组的其他区域造成意外的影响，带来潜在的风险。因此，开发一种更高效、更精准且更安全的碱基编辑器迫在眉睫。

为了解决这些难题，来自北京齐碳科技有限公司（1Qi Biodesign）和中国科学院遗传与发育生物学研究所基因组编辑中心的研究人员展开了深入研究。他们致力于开发一种新型的碱基编辑器，最终成功设计并鉴定出了 QBEmax 碱基编辑器。这一成果意义重大，它为碱基编辑技术在多重治疗应用（如 CAR-T 免疫疗法）中的进一步发展提供了有力的支持，有望推动相关领域的研究和治疗取得新的突破。该研究成果发表在《Nature Biotechnology》上。

研究人员开展此项研究运用了多种关键技术方法。在细胞实验方面，使用了多种哺乳动物细胞系（如 HEK293T、A549、HeLa、HCT116 和 Jurkat 细胞）进行转染实验。基因编辑检测上，通过深度测序技术分析编辑结果，包括对目标位点的扩增子深度测序，以获取详细的编辑频率、indels 频率和产物纯度等数据。同时，利用分子动力学（MD）模拟分析 QBEmax 的结构和性能，预测其与 sgRNA 和靶 DNA 形成的三元结构，探究其发挥作用的分子机制。

研究结果

QBEmax 的设计与筛选：研究人员基于 Cas9 蛋白的结构，设计了四种不同的碱基编辑器架构（QBE1 - QBE4），将脱氨酶嵌入环形排列的 Cas9 (D10A) 蛋白内部。随后评估了六种不同的胞苷脱氨酶，结果显示基于 QBE3 的编辑器在编辑频率、indels 频率和编辑窗口等方面表现出色，因此将 QBE3 命名为 QBEmax。之后又设计了额外七种 QBE 编辑器（QBE5 - QBE11），其中 QBE6 性能与 QBEmax 相似，但编辑窗口较窄，命名为 QBEn。综合考虑，选择 mini - Sdd9 - QBEmax 进行深入研究123。
QBEmax 的编辑特性：与传统的 BE4max 相比，mini - Sdd9 - QBEmax 具有更宽的编辑窗口，其编辑窗口可延伸至 C16，且更倾向于编辑 PAM 近端的胞嘧啶（C）。在编辑效率方面，二者相当，但 QBEmax 诱导的 indels 显著降低，平均 indel 频率下降了 56.5%，编辑与 indels 的比率大幅提高。在产物纯度上，QBEmax 表现卓越，在 C1 - C16 编辑窗口内，其产物纯度高达 99.4% ± 0.4%，远高于 BE4max 的 95.5% ± 2.8%。此外，QBEmax 在多种哺乳动物细胞系（A549、HeLa 和 HCT116）中均表现出高效的编辑效率、高产物纯度和低 indels 率45。
QBEmax 在 CAR - T 基因敲除中的应用：研究人员选择了五个与 CAR - T 疗法相关的基因（PD - 1、CISH、Fas、TGFBR2 和 TRAC）进行多重基因敲除研究。结果表明，mini - Sdd9 - QBEmax 在所有目标基因上都实现了相当或更高的平均期望编辑效率，平均 indel 频率显著降低，产物纯度显著提高。在单细胞克隆分析中，QBEmax 成功实现了单个细胞内的多重碱基编辑，在未分选和分选的细胞群体中，分别有 43.8% 和 89.3% 的细胞克隆显示出五个基因均被编辑。在 Jurkat T 细胞系中，QBEmax 同样表现出优异的编辑性能，进一步证明了其在临床应用中的潜力678。
QBEmax 的脱靶效应评估：DNA 脱靶是碱基编辑治疗应用中的主要担忧之一。研究人员使用正交 R - loop 测定法评估了 mini - Sdd9 - QBEmax 的 Cas 非依赖性 DNA 脱靶效应，结果显示在所有五个 R - loop 位点，QBEmax 诱导的脱靶编辑均低于 BE4max。在 RNA 脱靶效应评估中，通过全转录组测序分析发现，QBEmax 在不影响 DNA 靶向编辑的情况下，诱导的全转录组 RNA 脱靶编辑显著低于 BE4max910。
QBEmax 的分子机制探究：通过分子动力学（MD）模拟分析，研究人员发现 QBEmax 的构象稳定性更高，其均方根偏差（RMSD）和回转半径（Rg）均低于 BE4max，且只有一个稳定的能量状态。同时，连接脱氨酶和 Cas 蛋白的接头的均方根波动（RMSF）在 QBEmax 系统中更低，这表明 QBEmax 的结构更紧凑，限制了脱氨酶的摆动。此外，QBEmax 对暴露的 R - loop 具有更好的保护作用，减少了尿嘧啶被内源性尿嘧啶 DNA 糖基化酶（UNG）切除的可能性，从而降低了 indels 和不精确编辑的发生，提高了产物纯度1112。

研究结论与讨论

研究人员成功开发了 QBEmax 碱基编辑器，它在多重基因敲除应用中展现出诸多优势，包括高效的靶向编辑、低 indels 形成、高编辑产物纯度和低脱靶效应。这一成果为碱基编辑技术在基因治疗领域的应用提供了更可靠的工具，尤其是在 CAR - T 免疫疗法中，有望通过精准的基因编辑进一步提高治疗效果，减少副作用。同时，该研究通过 MD 模拟等技术深入探究了 QBEmax 的分子机制，为后续碱基编辑器的优化和新型编辑技术的开发提供了理论基础。然而，目前研究主要在细胞水平进行，未来还需要进一步在动物模型和临床试验中验证 QBEmax 的有效性和安全性，以推动其真正应用于临床治疗。此外，如何更高效地将 QBEmax 递送至体内靶细胞，也是未来研究需要解决的重要问题。