人類有兩萬多個基因，儲存著生命從生長到凋亡的全部信息。從發現DNA結構，到解讀、編寫DNA，科學家們不遺余力地探索DNA的秘密，賦予生命規律以科學意義。
中科院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）與美國哈佛大學的科研人員合作，在8月2日發表于《自然—通訊》的論文中，利用多重復合堿基編輯技術，提供了在人類基因組中將蘊藏遺傳信息的堿基序列TAG轉換為TAA的技術框架，并一次轉染成功實現了多達33個基因位點的同步編輯，將來結合蛋白質工程化可賦予細胞抗病毒的能力。
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該研究為哺乳動物基因組多重復合編輯，以及基因組重編碼制備抗多種天然病毒的人類細胞系提供了方向與路徑。
編寫生命體的“摩斯密碼”
戰爭時期，人們通過摩斯密碼傳遞信息。而在生命體中，蘊藏著一串“遺傳密碼”。
在DNA的雙螺旋結構中，A、T、C、G是其結構上的堿基，通過不同的堿基配對，最終可以排成64個密碼子，被稱為生命的“遺傳密碼”，包括了能夠編碼20種天然氨基酸的61個密碼子，以及作為終止信號的3個密碼子。而該研究正是利用基因組重編碼技術針對“遺傳密碼”進行編碼，旨在賦予生命體或細胞以抗病毒能力。
2016年，論文共同通訊作者、哈佛大學醫學院教授George Church等人提出了基因組編寫計劃（GP-write），旨在從被動讀取基因組轉向主動編寫基因組，利用生物工程技術解決人類面臨的許多全球問題，如病毒感染、瀕危物種增多、氣候變暖等。2018年，GP-write發起者們提出了基因組重編碼來構建抗病毒人類細胞系計劃。
在此基礎上，研究團隊提出了制備抗病毒人類細胞系的一個潛在方案，即在全基因組范圍內將終止密碼子TAG轉化為TAA，并將內源性真核釋放因子替換為具有選擇性通讀的工程化突變體，使人類細胞系具有抗病毒能力。
研究初期，為了快速且精準地定位DNA密碼子的具體位置，研究團隊自主研發了GRIT軟件。
“GRIT軟件就像一個‘搜索引擎’，它能夠在全基因組范圍內進行搜索，定位所需要的密碼子，同時能夠提供改造密碼子所需的向導RNA（gRNA）。我們利用GRIT軟件識別了人類基因組中所有的TAG密碼子，并合成了將TAG轉換為TAA的gRNA，用于堿基編輯。”論文共同第一作者、深圳先進院合成所博士陳宇庭說。
隨后，他們借助多個gRNA同步遞送及胞嘧啶堿基編輯器（CBE）穩定表達進行非靶向鏈C到T修改，成功實現將TAG轉換為TAA，并通過全基因組測序、RNA測序、核型分析3種方式對單克隆細胞的轉換結果進行評估，結果顯示一次轉染成功實現了33個基因位點的同步編輯，且沒有觀察到細胞基因表達異常及明顯的染色體異常等。
基因編碼邁出“抗病毒”第一步
人類基因組重編碼是一個系統而復雜的基因組工程。在該研究中，從識別基因組位置到多位點基因編輯，再將每個可實現的技術環節形成系統的、可操作的工作框架是難點之一。
研究團隊歷時4年，經過數次模擬、實踐與驗證后，成功構建了在人類全基因組范圍內將TAG終止密碼子轉換為TAA的工作框架，同時也在技術上實現了通過一次轉染在單個克隆中多達33個基因位點的編輯。
該研究邁出了基因組重編碼制備抗多種天然病毒人類細胞系的第一步，初步證明了TAG轉換為TAA在人類基因組中的可行性，同時創造了一次遞送在人類基因組中數十個非重復位點同步堿基編輯的紀錄，為哺乳動物基因組的大規模工程化改造提供了一個工作框架。
如今，讀取DNA密碼的技術日漸精進，但主動、高效、多位點的編寫或編輯DNA密碼來制備抗病毒的細胞系仍是一個巨大的挑戰。
“我們雖在多位點基因編輯技術上有了階段性的突破，但在抗病毒細胞系的制備方面仍有許多工作要做。例如，需要針對更多位點進行基因編輯，并優化各個技術環節，進行蛋白質工程化改造等。”陳宇庭表示，研究團隊將利用基因組重編碼技術在提升細胞系抗病毒能力方面開展進一步研究。
“希望該研究能夠吸引更多人關注基因組大規模編輯或編寫及重編碼制備抗病毒細胞系這一領域，共同進行下一步研究。”陳宇庭說。（刁雯蕙 蘇芊）
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