碱基编辑器是一种基因编辑工具，旨在对DNA进行单核苷酸水平的精确修改，用于纠正导致疾病的遗传变异。
本文重点介绍了碱基编辑技术在开发个性化治疗方案中的作用，特别是针对一种严重且治疗选择有限、婴儿死亡率高的代谢疾病——氨甲酰磷酸合成酶1（CPS1）缺乏症。
什么是碱基编辑器？
碱基编辑器是CRISPR-Cas系统的一种改良形式。与传统的CRISPR-Cas9不同，后者会切割DNA双链，而碱基编辑器则可以在不产生双链断裂的情况下改变单个DNA碱基。它们的工作原理是将CRISPR-Cas9切口酶与脱氨酶结合。引导RNA（gRNA）将复合物引导至特定DNA序列，脱氨酶则在单个核苷酸上进行化学修饰。这种方法降低了意外DNA损伤和脱靶效应的风险。
2016年开发的首个胞嘧啶碱基编辑器（CBEs）可以将胞嘧啶（C）转化为胸腺嘧啶（T）。2017年，腺嘌呤碱基编辑器（ABEs）被引入，用于将腺嘌呤（A）转化为鸟嘌呤（G）。
在这两项突破性发展之后，科学家们继续设计新的碱基编辑器，以增强其在更复杂基因编辑、提高准确性、扩大靶向范围以及提升安全性和体内递送潜力方面的能力。这些进展增强了其在生物医学领域的适用性。
碱基编辑器的关键组件与治疗潜力
碱基编辑器由两种功能蛋白结合而成：Cas9切口酶（nCas9）和核苷酸脱氨酶。它们各自在实现靶向DNA修饰中发挥着独特作用。
nCas9是Cas9的一种改良形式，其两个主要氨基酸残基之一发生了突变，这些残基负责Cas9的DNA切割活性。因此，nCas9能与引导RNA（gRNA）结合，定位到与gRNA间隔序列匹配的目标DNA序列，并仅切割DNA的一条链。
核苷酸脱氨酶是一种从特定核苷酸中去除氨基的酶。在CRISPR碱基编辑器中，脱氨酶与特定的切口酶结合，例如腺苷脱氨酶（如工程化的TadA）或胞嘧啶脱氨酶（如APOBEC），这决定了碱基修改的类型。通常，ABEs包含腺嘌呤脱氨酶，而CBEs包含胞嘧啶脱氨酶。
目前，碱基编辑器正在多个临床前和临床研究中进行评估。例如，Verve Therapeutics启动了一项临床试验，评估通过脂质纳米颗粒静脉注射碱基编辑器以沉默家族性高胆固醇血症患者肝脏中PCSK9基因的安全性和有效性。该策略还被探索用于缓解脊髓性肌萎缩症和HIV感染。
什么是CPS1缺乏症？
CPS1缺乏症是一种罕见且危及生命的遗传性疾病，会损害肝脏分解蛋白质代谢副产物的能力。
这会导致体内氨的积累（高氨血症），达到毒性水平，可能损伤肝脏和大脑。升高的氨水平可能引发脑水肿、昏迷或永久性神经系统损伤。
CPS1缺乏症是一种常染色体隐性遗传病，其症状包括过度嗜睡、进食困难、异常动作、呼吸或体温调节异常以及癫痫发作。如果不严格控制饮食，这些症状可能反复出现。
标准治疗包括低蛋白饮食以减少氨的产生，通常在儿童较大时进行肝移植。在等待期间，患者因创伤和感染等多种因素仍面临器官衰竭的高风险。
CPS1缺乏症的首例个性化基因疗法
费城儿童医院（CHOP）和宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院（Penn）的研究人员开发了一种针对CPS1缺乏症的个性化基因疗法，使用了CRISPR碱基编辑技术。这种方法能够在不引入DNA双链断裂的情况下，对肝细胞中的致病突变进行精确修正。
在确诊后，患者在六个月大时接受了初始低剂量的碱基编辑治疗，并在后续治疗中逐渐增加剂量。首次给药后不久就观察到了临床改善。
经过三次治疗，患者在饮食中摄入更多蛋白质的能力显著提高。医生也能够减少用于降低氨水平的药物剂量。
治疗的另一重要成果是患者在应对胃肠道疾病和感冒方面的改善。通常，患有CPS1缺乏症的婴儿即使感染轻微疾病，预后也较差。
那么这对遗传医学的未来意味着什么？
在CPS1缺乏症中应用体内碱基编辑代表了罕见代谢疾病个性化基因疗法的早期案例。它表明，在某些情况下，基因诊断可以在数月内促成靶向治疗策略的开发和实施。
这种方法可能减少某些患者对高风险治疗（如肝移植）的需求，同时也展示了碱基编辑作为平台应对其他单基因疾病的可能性。
然而，仍存在一些局限性。个性化治疗成本高昂，当前的生产流程尚未优化以实现大规模应用。针对个体化基因治疗的监管框架仍在不断演变，长期安全性数据有限。
尽管面临这些挑战，CPS1缺乏症中碱基编辑的应用表明遗传医学正在向更精准的方向转变。随着工具和递送方法的不断改进，碱基编辑有望成为治疗更多罕见且此前无法治愈疾病的实用选择。
要了解有关基因编辑技术安全性、精确性和演进的更多信息，请参考：
参考文献与延伸阅读
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