NAR | 化学小分子通过阻断经典TGF-β信号通路特异性促进腺嘌呤碱基编辑

目前已知的人类致病遗传变异中，58%为点突变；其中，G·C>A·T点突变占47%，是人类治病突变中的一个类别【1】。近年来，研究者们通过腺苷脱氨酶与催化活性受损的CRISPR/Cas9系统融合，开发了可以实现A·T>G·C单碱基替换的腺嘌呤碱基编辑器（Adenine base editor，ABE），为该类遗传病的修复提供了重要的工具【2】。然而，目前ABE的应用仍然存在挑战：首先，ABE融合的TadA腺苷脱氨酶来源于大肠杆菌。虽然碱基编辑过程依赖DNA修复，但我们并不了解哺乳动物细胞内是通过什么机制调控细菌来源TadA活性的；第二，ABE在不同细胞或基因组不同位点的编辑活性差异较大，这有可能受到染色体序列特征、染色体状态（如：表观遗传修饰）等因素的影响，制约了ABE的体内应用；第三，借助蛋白质分子进化/蛋白工程等技术，虽然已经可以获得催化活性更高的ABE变体，但同时也产生了更多的脱靶编辑，是影响ABE临床应用的重要因素。因此，开发特异和高效调控ABE在靶编辑活性的方法，并探索其在哺乳动物细胞中的调控机制，具有重要的理论和应用价值。

2022年8月31日，上海交通大学医学院张明亮课题组在Nucleic Acids Research在线发表题为Small-molecule activators specific to adenine base editors through blocking the canonical TGF-β pathway的文章。该工作借助高通量化学筛选系统，筛选鉴定出ABE的小分子激活剂，高效、特异的促进了ABE的在靶编辑，为基因组中“难治性”位点的体内修复提供了工具。同时，该研究发现经典TGF-β信号通路参与了ABE活性调控，并揭示了可能的调控机制。

该研究首先建立的高通量化学小分子筛选系统，从近8000个化学小分子中筛选能促进ABE编辑活性的化学小分子。作者发现，以SB505124为代表的TGF-β信号通路抑制剂，体现出对ABE编辑效率较好的促进作用。利用siRNA或shRNA对ALK5进行靶向敲低（knock down），或抑制ALK5的下游效应因子SMAD2/3，均在多种细胞中体现出对ABE编辑活性的促进作用，证实了TGF-β通路从未报道过的对ABE活性的调控作用。进一步，作者通过大量基因组内源性位点的修复检测，发现SB505124对ABE编辑活性在基因组中，包括DNA甲基化区域或异染色质区域，均具有较好的促进作用。该作用在不同版本ABE变体及多种细胞类型中都得以验证。重要的是，SB505124在促进ABE在靶编辑活性的同时，并不影响其DNA水平脱靶编辑，提高了转化应用中的安全性。有趣的是，SB505124对CBE和SpCas9的编辑活性没有影响，体现出对ABE的特异性。进一步，作者在细胞和小鼠疾病模型中，验证了SB505124对ABE在遗传突变修复中的促进作用，说明了该小分子在遗传病治疗应用中的潜力。以往研究对ABE活性调控机制了解并不多。在该研究中，作者发现SB505124阻断经典TGF-β信号通路，可能是通过下调跨损伤DNA合成（translesion DNA synthesis，TLS）过程关键因子Helicase Like Transcription Factor（HLTF）的表达【4】，从而促进了ABE的编辑效率。

总而言之，使用涵盖多种通路、靶点的高通量小分子筛选，该研究首次发现了经典TGF-β信号通路对ABE编辑的影响，并为ABE编辑的精确、特异和高效的调控提供了化学方法；研究揭示了TLS相关基因对ABE编辑活性的调控作用，为更好理解ABE编辑的胞内调控机制，以及ABE编辑系统的优化提供了参考。该方法有望在人类致病点突变的修复中发挥重要作用。

本研究的共同作者为上海交通大学医学院杨玉东和张弛，通讯作为为张明亮研究员。该研究得到中科院分子细胞科学卓越创新中心孟飞龙研究员、周波研究员，化学生物学技术平台，中科院脑科学与智能技术卓越创新中心杨辉研究员，上海科技大学陈佳副教授的支持和帮助。

课题组聚焦髓鞘发育和脑功能重建的机制研究和技术研发。利用干细胞生物学、化学生物学等手段，阐明髓鞘形成/再生对神经元发育和损伤修复的作用，开发促进髓鞘生成和神经功能重建的化学小分子药物，研发针对神经系统基因治疗的方法。现招聘具有神经生物学、干细胞生物背景的助理研究员、技术员和博士后，同时欢迎对上述研究感兴趣的同学报考研究生。

原文链接：

https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac742/6679405

参考文献

1. LANDRUM M J, LEE J M, BENSON M, et al. ClinVar: public archive of interpretations of clinically relevant variants [J]. Nucleic Acids Res, 2016, 44(D1): D862-8.

2. GAUDELLI N M, KOMOR A C, REES H A, et al. Programmable base editing of A*T to G*C in genomic DNA without DNA cleavage [J]. Nature, 2017, 551(7681): 464-71.

3. VAN TOORN M, TURKYILMAZ Y, HAN S, et al. Active DNA damage eviction by HLTF stimulates nucleotide excision repair [J]. Mol Cell, 2022, 82(7): 1343-58 e8.

4. ANZALONE A V, RANDOLPH P B, DAVIS J R, et al. Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA [J]. Nature, 2019, 576(7785): 149-57