托尔斯滕·斯塔福斯特在最糟糕的时候迎来了重大突破。2012 年，他在德国蒂宾根大学的团队发现，通过将酶与工程 RNA 链连接，他们可以改变细胞中信使 RNA 分子的序列。本质上，他们可以改写基因组的指令，从而制造蛋白质。
从理论上讲，该过程可用于治疗多种疾病，包括具有遗传基础的疾病以及那些可从蛋白质的数量或类型变化中获益的疾病。但斯塔福斯特在发表这项发现时遇到了很多麻烦——它已经不再有趣了。他的发现被几个月前 DNA 编辑工具 CRISPR-Cas9 可用于永久改变基因组的发现所掩盖。
从那时起，CRISPR 已成为实验室的固定装置，并催生了许多旨在利用该技术开发药物和疗法的公司。斯塔福斯特说，由于 CRISPR 吸引了所有注意力，人们对他的论文反应冷淡。他们问道：“既然有 DNA 编辑技术，我们为什么还需要这个？”
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但 CRISPR 编辑——至少作为一种人体治疗技术——已被证明比最初想象的要困难。研究人员已经记录了 Cas9（CRISPR 基因编辑中使用的一种酶）可能触发免疫反应或导致对基因组的意外改变（这将是永久性的）的方式。相比之下，RNA 编辑可以让临床医生进行临时修复，消除蛋白质中的突变，阻止其产生或改变其在特定器官和组织中的工作方式。由于细胞会快速降解未使用的 RNA，因此疗法引入的任何错误都会被清除，而不是永远伴随一个人。
人们对 RNA 编辑的兴奋最终开始蔓延。根据摘要和引文数据库 Scopus 的数据，2019 年，研究人员发表了 400 多篇关于该主题的论文。少数初创公司开始使用 RNA 编辑系统来开发针对各种疾病的潜在疗法，从肌肉萎缩症等遗传疾病到急性疼痛等暂时性疾病。尽管基于 RNA 的药物由于递送和耐受性方面的挑战而难以进入市场，但过去几年的一些监管批准可能有助于为 RNA 编辑疗法铺平道路。
仍有几个障碍：当前的技术只能以几种有限的方式改变 RNA 序列，并且让该系统在人体内按预期工作将证明具有挑战性。尽管如此，研究人员希望蛋白质工程等新技术以及改进的 RNA 递送到细胞的方法可以帮助克服这些限制。斯塔福斯特说：“它真正开启了一个我们以前从未见过的世界。”
RNA 的作用
分子遗传学中的一个基本原则——其中心法则——是细胞机制忠实地将遗传信息从双链 DNA 模板转录成单链 RNA 信使，然后将其翻译成蛋白质。但在 20 世纪 80 年代，少数实验室注意到，一些 mRNA 转录本包含 DNA 中未编码的改变或额外的字母。这些发现引起了争议，直到科学家发现了一类称为 RNA 腺苷脱氨酶 (ADAR) 的酶。这些蛋白质与 RNA 结合，并通过将一种称为腺苷的常见碱基改变为一种称为肌苷的分子来改变其序列。虽然肌苷不是规范的 RNA 碱基之一，但细胞的蛋白质翻译机制将其读取为常见的鸟苷。大约在同一时间，还出现了一些其他 RNA 编辑酶。
在过去的三十年里，科学家们一直在努力理解 RNA 编辑究竟完成了什么。编辑者仅在双链 RNA 上工作，双链 RNA 有时会以调节元件或病毒的形式出现在细胞中。有人推测 ADAR 蛋白进化为对抗病毒的防御机制，但许多具有双链 RNA 的病毒不受这些酶的影响。编辑可能具有调节功能，但大多数成年组织不会产生编辑发生所需的高水平蛋白质。
犹他大学盐湖城分校的生物化学家布伦达·巴斯是最早在青蛙胚胎中鉴定出 ADAR 的科学家之一。她说，没有人发现对非蛋白质编码 RNA（占大多数编辑分子的 RNA）所做的改变的具体作用。编辑可能用于保护双链 RNA 免受免疫攻击。巴斯怀疑 ADAR 编辑双链转录本，添加肌苷作为告诉身体不要管它们的一种方式。这些酶似乎也在胚胎发育中发挥作用：缺乏 ADAR 基因的小鼠在出生前死亡或出生后不久死亡。编辑者似乎也在成年生物体的某些组织（如头足类动物的神经系统）中发挥作用。
正是这种活性吸引了海洋生物学家约书亚·罗森塔尔在 21 世纪初关注 RNA 编辑。似乎高度智能的头足类动物，如鱿鱼、墨鱼和章鱼，广泛使用 RNA 编辑来调整参与神经细胞发育和信号传输的基因。已知没有其他动物以这种方式使用 RNA 编辑。受这些观察结果的启发，罗森塔尔想知道是否有可能使用该系统来纠正治疗环境中功能失调的基因产生的信使。2013 年，他在波多黎各圣胡安大学的团队重新设计了 ADAR 酶，并将它们连接到引导 RNA，引导 RNA 将与 mRNA 中的特定点结合，从而产生双链。有了这些，他们能够编辑青蛙胚胎甚至培养皿中人类细胞中的转录本。
与斯塔福斯特类似，现在在马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物实验室工作的罗森塔尔发现他的出版物基本上被忽视了。他了解到，一家名为 Ribozyme 的公司的研究人员也遭遇了类似的命运，该公司于 1995 年提出了通过将互补序列插入青蛙胚胎并允许 ADAR 编辑产生的双链分子并纠正突变来“治疗性编辑”突变 RNA 序列。
但在过去几年中，多种因素汇聚在一起，使罗森塔尔和斯塔福斯特的发现浮出水面。加州大学戴维斯分校的化学家彼得·比尔说，2016 年发表的 ADAR 与双链 RNA 结合的分子结构使该系统更易于理解，并使科学家能够更好地设计该酶以增强其递送或提高其效率。2018 年，美国食品和药物管理局 (FDA) 批准了首个使用 RNA 干扰 (RNAi) 的疗法：RNA 干扰是一种将一小段 RNA 插入细胞中的技术，在该细胞中，它与天然 mRNA 结合并加速其降解。荷兰莱顿 ProQR Therapeutics 的首席创新官杰拉德·普拉滕伯格表示，该批准为其他涉及 mRNA 相互作用的疗法打开了大门，ProQR Therapeutics 正在寻求各种基于 RNA 的疗法。普拉滕伯格说：“从过去吸取教训，随着批准数量的增加，该领域已经成熟了很多。”
许多人认为 RNA 编辑是使用 CRISPR 等技术进行 DNA 编辑的重要替代方案。CRISPR 技术正在改进，但 DNA 编辑可能会导致基因组其他部位出现不需要的突变——“脱靶效应”——这可能会产生新的问题。
此外，罗森塔尔预计 RNA 编辑将被证明对非遗传起源的疾病有用。他目前正在使用 ADAR 编辑编码钠通道 Nav1.7 的基因的 mRNA，该基因控制疼痛信号如何传输到大脑。通过 DNA 编辑永久改变 Nav1.7 基因可能会消除疼痛感并破坏蛋白质在神经系统中的其他必要功能，但在特定组织中通过 RNA 编辑在有限的时间内降低其活性可能有助于缓解疼痛，而不会产生与传统止痛药相关的依赖性或成瘾风险。
同样，RNA 编辑可以让研究人员模拟提供健康优势的基因变异。例如，基因PCSK9（调节血液中胆固醇）中某些突变的人往往具有较低的胆固醇水平，而修饰PCSK9 mRNA 可以赋予类似的优势，而不会永久性地破坏蛋白质的其他功能。德国海德堡德国癌症研究中心的免疫学家妮娜·帕帕瓦西里奥说，RNA 编辑可用于对抗肿瘤。一些癌症劫持重要的细胞信号通路，例如那些参与细胞死亡或增殖的通路。她说，如果可以征用 RNA 编辑器暂时关闭关键信号分子，“我们可能会看到肿瘤死亡”。然后，患者可以停止治疗，使通路恢复正常功能。
作为一种治疗方法，与基于 CRISPR 的方法相比，RNA 编辑可能不太可能引起潜在的危险免疫反应。与来自细菌的 DNA 编辑酶 Cas9 不同，ADAR 是人类蛋白质，不会触发免疫系统的攻击。加州大学圣地亚哥分校的生物工程师普拉尚特·马利说：“你真的不需要重型机械来靶向 RNA。”
在去年发表的一篇论文中，马利和他的同事将引导 RNA 注射到出生时患有导致肌肉萎缩症的基因突变的小鼠体内。引导 RNA 旨在触发一种名为抗肌萎缩蛋白的缺失蛋白质的产生。尽管该系统仅编辑了少量编码抗肌萎缩蛋白的 RNA，但它使动物肌肉组织中的蛋白质恢复到正常水平的约 5%，这一数量已显示出治疗潜力。
在其他由蛋白质缺失或功能失调引起的疾病中，例如某些类型的血友病，“从无到有意义重大”，斯塔福斯特说，而且可能不需要编辑体内每个细胞中的 RNA。RNA 编辑的表现可能优于涉及注射新基因的基因治疗形式。马利和其他人表示，指导天然 ADAR 在细胞自身的 mRNA 上运作可能比引入外部工程基因提供更自然的反应。
然而，即使在实验室应用中，RNA 编辑技术也远非完美。“现在还处于早期阶段，”巴斯说。“有很多问题。”由于 ADAR 的效率远低于 CRISPR，因此它们可能不太适用于制造转基因植物和动物。“作为一种研究工具，它非常有限，”加州斯坦福大学的遗传学家金·比利·李说。
另一个主要缺点是 ADAR 只能对 RNA 进行几种类型的更改。CRISPR 系统充当剪刀，通过在指定位置切割 DNA 并移除或插入新序列；ADAR 更像是一种覆盖功能，它以化学方式更改字母，而不会破坏 RNA 分子的“骨干”。
虽然此过程不太可能引起意外突变，但它限制了酶进行特定更改——ADAR 的情况是腺苷到肌苷，以及一组称为 APOBEC 的酶的胞嘧啶到尿苷（参见“RNA 校正”）。还有其他一些可能性。例如，葡萄植物可以将胞嘧啶改变为尿苷，一些肿瘤可以将鸟嘌呤改变为腺苷。“生物多样性正在为我们提供大量这些问题的答案，”罗森塔尔说。“我认为，从长远来看，像鱿鱼这样的生物将教会我们很多东西。”但他说，该领域的研究不足——研究人员不了解驱动这种编辑的过程。植物酶是否可以在人体细胞中发挥作用还有待观察。
科学家们已经在寻找方法来设计可以扩展 RNA 编辑能力的新酶。“这是一个相当长的过程，你不知道会发现什么，”马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院 (MIT) 的生物工程师奥马尔·阿布达耶说。阿布达耶与麻省理工学院的 CRISPR 先驱冯张合作，将 ADAR 酶与 Cas13 连接起来。Cas13 是一种类似于 CRISPR 相关蛋白 Cas9 的细菌酶，它切割 RNA 而不是 DNA。研究人员改变了 ADAR 的序列，直到它可以将胞嘧啶转化为尿苷。然后，他们在人类细胞中使用新系统来改变几个基因编码的 mRNA 中的碱基，包括APOE。该基因的一种天然存在的基因变异与阿尔茨海默病有关，编辑它可以将变异转换为无害形式。
阿布达耶和他的麻省理工学院合作者、生物工程师乔纳森·古滕贝格承认，改变 ADAR 蛋白可能会导致免疫系统停止将其识别为天然人类蛋白，并攻击含有该蛋白的细胞。但他们说，由于这些编辑很小，因此与已知关于免疫系统攻击 Cas13 或用于将编辑工具递送到细胞中的病毒的担忧相比，这种风险相形见绌。
研究人员看到了称为假尿苷化的自然过程的前景，其中一组蛋白质和 RNA 酶以化学方式修饰 mRNA 中尿苷的结构。与 ADAR 修饰不同，假尿苷化不会改变 mRNA 或蛋白质的序列。相反，由于原因尚不完全清楚，该过程稳定了 RNA 分子，并导致翻译机制忽略指示其停止制造蛋白质的信号。
将这些分子红灯变成绿灯的能力可能非常强大。纽约州罗切斯特大学的生物化学家于一涛说，数百种遗传疾病是由 DNA 突变引起的，这些突变在 mRNA 中产生不正确的终止信号，导致蛋白质缩短，无法在体内正常发挥作用。“清单很长，”于一涛说，其中包括囊性纤维化、眼病赫勒综合征和多种癌症。
尽管 RNA 编辑仍处于早期阶段，但研究人员和生物技术投资者对其广泛潜力感到兴奋。“我在它变得热门之前就进入了这个领域，”帕帕瓦西里奥说，他正在尝试绘制天然 ADAR 在体内的作用位置。“多年来，这是一个偏僻的领域，突然之间，每两周就有一家公司涌现出来。”
许多初创公司和老牌 DNA 编辑公司都宣布有意进军 RNA 领域。其中包括马萨诸塞州波士顿的 Beam Therapeutics，该公司由张锋和刘如谦共同创立，一直在开发 CRISPR DNA 编辑作为几种血液疾病的疗法。总部位于圣地亚哥的 Locana 也在寻求基于 CRISPR 的 RNA 编辑，他们希望可以治疗包括运动神经元疾病和亨廷顿病在内的疾病。
该行业面临的挑战是找出将引导 RNA 导入细胞的最佳方法，而不会引发免疫反应或导致细胞降解它们。比尔说，这可能包括对工程 RNA 进行战略性化学修饰以稳定它们，或将它们嵌入可以偷偷进入细胞的纳米颗粒或病毒中。
尽管 ADAR 已经存在于人体细胞中，但人体在大多数组织中仅产生少量 ADAR，这意味着任何疗法都可能需要添加 ADAR 或其他酶来增强细胞的编辑能力。用编码 RNA 编辑所需的所有机制的基因包装病毒可能效率不高。许多人希望没有必要这样做。
普拉滕伯格希望添加 RNA 并依靠天然存在的 ADAR 来帮助纠正导致视网膜疾病的 mRNA 的字母。他说：“我们使用大自然赋予我们的系统并利用它。”
包括斯塔福斯特在内的研究人员正在设计带有化学修饰的引导 RNA，以吸引细胞中的 ADAR 到编辑位点。但一些研究人员担心，征用天然 ADAR 进入特定 mRNA 的编辑可能会将它们从正常任务中转移开，并引起其他健康问题。改变身体某一部分的基因表达可能会以不可预见的方式影响其他部分。例如，在马利的肌肉萎缩症研究中，小鼠出于未知原因出现了肝脏问题。“它仍然是一种开发中的工具，”他说。
“ADAR 的进化是为了让身体能够以非常有针对性的方式修饰碱基，”马萨诸塞州剑桥市生物技术公司 Korro Bio 的首席执行官兼联合创始人内桑·伯明翰与罗森塔尔等人说。伯明翰对 RNA 编辑的前景持乐观态度，但告诫不要超越生物学。“当我们开始完善这些技术时，我们还有很多工作要做，”他说。“我们不会排除任何可能性，但我们必须认识到某些局限性。”
本文经许可转载，并于2020 年 2 月 4 日首次发表。