人类基因组由大约 30 亿个碱基对组成，人类的基因构成有 99.6% 是相同的。这 0.4% 的差异决定了人与人之间的差异。这些碱基对突变的特定组合为复杂健康问题(包括心脏病和精神分裂症等神经退行性疾病)的病因提供了重要线索。

目前在活细胞中模拟或纠正突变的方法效率低下，尤其是在多路复用时——在基因组中同时安装多个点突变。加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了新的高效基因组编辑工具，称为多路复用正交碱基编辑器 (MOBE)，可同时安装多个点突变。他们的研究成果由化学和生物化学助理教授Alexis Komor 的实验室领导，发表在《自然生物技术》上。

Komor 的团队对比较 DNA 中单个字母变化不同的基因组特别感兴趣。这些字母 — C(胞嘧啶)、T(胸腺嘧啶)、G(鸟嘌呤)、A(腺苷) — 被称为碱基。如果一个人有 C 碱基，另一个人可能有 T 碱基。这些是单核苷酸变异 (SNV) 或单点突变，一个人可能有 400 万到 500 万个变异。有些变异是无害的;有些是有害的;而且通常是变异的组合导致疾病。

使用基因组进行疾病建模的一个问题是可能的变异数量之多。如果科学家试图确定哪些基因突变导致心脏病，他们可以解码一群患有心脏病的人的基因组，但任何两个人之间的变异数量使得很难确定哪种变异组合导致了疾病。

“解释遗传变异存在问题。事实上，大多数已发现的变异在临床上都未分类，所以我们甚至不知道它们是致病的还是良性的，”Quinn T. Cowan 表示，他是该大学化学和生物化学系的一名新博士毕业生，也是该论文的第一作者。“我们的目标是通过在受控实验室环境中安装多个变异来制造一种可用于疾病建模的工具，以便进一步研究它们。”

基因编辑的进化

要理解 MOBE 的诞生原因，我们必须了解传统基因编辑工具 CRISPR-Cas9 的局限性。CRISPR-Cas9 使用向导 RNA，它就像一个 GPS 信号，直接到达你想要编辑的基因组位置。Cas9 是一种 DNA 结合酶，可以切断 DNA 的两条链，使之完全断裂。

尽管双链断裂相对简单，但对细胞来说却是有害的。这种基因编辑还可能导致插入和缺失(随机插入和缺失)，细胞无法完美修复自身。在 CRISPR-Cas9 中编辑多个基因会使风险倍增。

Komor 的实验室没有使用 CRISPR，而是使用了她开发的一种碱基编辑技术，该技术会对 DNA 进行化学改变，尽管每次只能进行一种类型的编辑(例如，将 C 改为 T 或将 A 改为 G)。因此，碱基编辑不是用剪刀一次剪掉整个片段，而是一次删除和替换一个字母。它速度较慢，但​​效率更高，对细胞的危害也更小。

同时应用两个或多个碱基编辑器(将基因组中一个位置的 C 改为 T，将另一个位置的 A 改为 G)，可以更好地模拟多基因疾病——由多个基因变异引起的疾病。然而，没有一种技术可以在没有向导 RNA“串扰”的情况下有效地做到这一点，当碱基编辑器进行不必要的更改时就会发生这种情况。

Cowan 的 MOBE 使用称为适体的 RNA 结构(可与特定蛋白质结合的小 RNA 环)来将碱基修饰酶招募到特定的基因组位置，从而能够同时高效编辑多个位点，并降低串扰发生率。

该系统十分新颖，是首次有人使用适体以正交模式招募 ABE(腺苷碱基编辑器)与 CBE(胞嘧啶碱基编辑器)组合来制作 MOBE。

差异非常明显：当不使用 MOBE 而同时使用 CBE 和 ABE 时，串扰发生率高达 30%。使用 MOBE 时，串扰小于 5%，同时实现所需基极变化的 30% 转换效率。

这项研究是对 MOBE 系统可行性的原理验证，该系统已获得临时专利。为了进一步测试，该团队对真实疾病进行了多项案例研究，包括罕见的激素紊乱症卡尔曼综合征。他们的实验表明，MOBE 系统可用于有效编辑某些多基因疾病的相关细胞系。

“我们正在将质粒放在 AddGene 上，以便任何人都可以自由访问它们。我们希望其他研究人员能够使用 MOBE 来模拟遗传疾病，了解它们的表现方式，然后希望能够创造出有效的治疗方法，”Cowan 说道。