在自闭症谱系障碍(ASD)动物模型中，全脑基因组编辑以纠正单碱基突变并减少或逆转行为变化尚未实现。

2023年11月27日，上海交通大学医学院松江研究院/中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）仇子龙团队与复旦大学脑科学转化研究院程田林团队合作共同通讯在Nature Neuroscience 在线发表题为“Whole-brain in vivo base editing reverses  behavioral changes in Mef2c-mutant mice”的研究论文，该研究开发了一种载脂蛋白B信使RNA编辑酶，催化多肽嵌入胞嘧啶碱基编辑器(AeCBE)系统，用于将C·G转化为T·A碱基对。

该研究通过在小鼠体内将AeCBE靶向ASD相关的MEF2C基因突变(C . 104t >C, p.L35P)来证明其有效性。首先构建了Mef2cL35P杂合小鼠。雄性杂合小鼠表现出多动、重复行为和社交异常。然后，通过静脉注射血脑屏障腺相关病毒对AeCBE进行编程，编辑小鼠大脑中Mef2c的突变C·G碱基对。这种治疗成功地恢复了Mef2c在几个大脑区域的蛋白水平，并逆转了Mef2c突变小鼠的行为异常。该工作提出了一种体内碱基编辑范式，可能纠正大脑中的单碱基基因突变。

自闭症谱系障碍(ASD)是一种高度遗传性的神经发育障碍，其特征是社会交往缺陷和刻板行为。罕见的新生变异，包括单核苷酸(SNVs)和拷贝数变异，已被证实是ASD发病的重要因素。肌细胞特异性增强因子2C (MEF2C)是MEF2转录因子家族的一员，与ASD有关；在被诊断为ASD和智力残疾的人群中发现了MEF2C基因的复发性从头变异体。特别是，MEF2C突变已在东亚的ASD队列中被发现，包括中国和韩国。MEF2C突变或含有MEF2C的染色体片段(5q14.3-q15)的微缺失都会导致儿童发育缺陷，包括智力残疾、不良互惠行为、言语缺乏、刻板和重复行为以及癫痫。MEF2C在成年小鼠的皮质、海马和杏仁核中大量表达。MEF2C和其他MEF2家族成员在神经元分化、神经发育和突触可塑性中发挥重要作用。这些发现强烈提示MEF2C单倍体不足影响大脑发育。

CRISPR和CRISPR-Cas9系统已广泛用于基因组编辑。通过精心设计的单导RNA (sgRNA)，双链DNA断裂(DSBs)通过Cas9介导的切割被引入基因组靶点，然后是非同源末端连接或同源定向修复(HDR)途径。虽然已经开发了几种提高HDR效率的方法来修复引起疾病的基因突变，但诱导的DSBs可能导致意想不到的基因组不稳定。与此同时，通过将缺口酶Cas9 (nCas9)与几种脱氨酶融合，已经开发出了碱基编辑器(BEs)，它可以精确地编辑单个碱基对而不产生DSBs。碱基编辑的一般原理是利用sgRNAs和CRISPR系统将碱基编辑复合体定位到感兴趣的碱基上，并利用脱氨酶催化碱基转化。胞苷脱氨酶和腺苷脱氨酶分别用于C-T转化的胞嘧啶BEs (CBEs)和A-G转化的腺嘌呤BEs (ABEs) 。利用腺相关病毒(AAV)介导的传递，体内碱基编辑已应用于几种疾病模型。然而，BEs能否应用于神经发育障碍还有待研究。

基于CRISPR-Cas9的CBE基因编辑系统示意图（图源自Nature Neuroscience ）

该研究开发了一个在nCas9内嵌入脱氨酶的BE系统，与传统的CBEs相比，该系统表现出更高的功效。利用BBB-crossing AAV-PHP.eB载体，成功地将双AAV送入大脑，并在体内有效地进行了碱基编辑。虽然AAV-PHP.eB载体通常优先感染皮层和海马区域的神经元，作者观察到Mef2c在特定脑区域的蛋白水平和Mef2cL35P^+/−小鼠的行为异常，包括异常的社会互动和多动，都得到了很大程度的挽救。因此，这项工作表明，体内碱基编辑可能是干预人类遗传性脑部疾病的一种可行方法。

上海交通大学医学院松江研究院/中国科学院脑智卓越中心仇子龙研究员和复旦大学脑科学转化研究院程田林研究员为该论文共同通讯作者。中国科学院脑智卓越中心李维克博士，复旦大学脑科学转化研究院博士生张淑倩为该论文共同第一作者。中国科学院脑智卓越中心彭婉玲、石玉含、袁博、袁依婷、王锦程、韩文建、陈枝芳、单仕芳、上海交通大学医学院附属第九人民医院薛震宇、复旦大学脑科学转化研究院陈金龙、张成以及复旦大学脑科学研究院薛碧清对该工作做出重要贡献。该研究工作得到了中国科学院脑智卓越中心许晓鸿研究员、竺淑佳研究员、临港实验室徐华泰研究员和复旦大学脑科学研究院邰一琳研究员的重要指导。该研究工作还得到了中国科学院脑智卓越中心分子细胞平台，实验动物平台与光学成像平台大力支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41593-023-01499-x