碱基编辑首次调控小鼠肠道微生物组

微生物组研究一直面临一个重要障碍：无法在体内编辑微生物基因组。直到现在，细菌基因组只能在体外进行修改，然后重新引入宿主动物体内。现在，这一障碍已经被克服。位于巴黎的Eligo Bioscience团队开发了一种源自噬菌体的载体，可以在小鼠肠道内定殖的大肠杆菌中传递碱基编辑器并进行修改。这是首次在肠道内直接对细菌基因组进行精确高效的碱基编辑。

这项工作发表在《自然》杂志上，题为《在小鼠肠道中对细菌进行原位靶向碱基编辑》，由Eligo的科学家团队共同完成，领导者包括Jesus Fernandez-Rodriguez博士（Eligo技术副总裁）、David Bikard博士（Eligo联合创始人、巴斯德研究所合成生物学组组长）和Xavier Duportet博士（Eligo首席执行官兼主席）。

在此之前，Bikard指出，“是否有可能在动物体内对整个目标细菌群体进行基因修改仍然是一个悬而未决的问题。可能存在一些根本性的障碍使得这一过程无法实现。但现在我们证明了我们可以做到！”

Eligo的突破结合了载体工程和有效载荷修改两个方面的研究，令人兴奋的原因有两个：它可能为新的微生物组基因编辑治疗模式打开大门，并推出一个以前无法获得的微生物组编辑工具箱。

北卡罗来纳州立大学教授、《CRISPR期刊》主编Rodolphe Barrangou博士指出，这项工作“开启了微生物组工程的新时代”。“这项概念验证研究不仅适用于大肠杆菌或小鼠肠道微生物组，还可以更广泛地应用于各种场合，并可以大规模部署。”

加州大学伯克利分校创新基因组研究所微生物组编辑技术的主要研究员Brady Cress博士也同意这一观点。他对《基因工程与生物技术新闻》（GEN）表示，这是“一大进步，开启了为优化健康而重新编写我们微生物组的大门”。

微调而非改变

Duportet和Bikard十年前共同创立了Eligo；两位朋友在公司成立时仍在接受培训——Duportet是麻省理工学院的研究生，Bikard是洛克菲勒大学Luciano Marraffini博士实验室的博士后研究员。今天，Duportet和Bikard组成了一个充满活力的二人组——Duportet掌舵公司，Bikard作为科学顾问，他们在科学合作的同时依然保持着密切的友谊。

当前的微生物组方法通常基于改变细菌的组成。其想法是引入细菌种类以改变平衡（如益生菌）或移除其他种类。而Eligo的重点在于不杀死细菌，而是如Duportet所解释的那样，“使其致病潜力失活，保留细菌原位”。

Bikard指出：“如果你试图针对占据特定生态位的细菌，完全移除它可能非常困难。除非有其他东西取而代之，否则它会重新生长。因此，最好是解除其武装，而不是杀死它。”

双重突破

然而，Eligo的新数据并不是首次在体内展示微生物组编辑。2023年5月，丹麦公司SNIPR Biome的研究发表在《自然生物技术》上，题为《利用工程噬菌体和抗菌CRISPR–Cas选择性减少小鼠肠道中的大肠杆菌》。在该研究中，研究人员筛选了162种噬菌体，最终确定了8种噬菌体，这些噬菌体能够递送CRISPR基因编辑载荷，导致小鼠肠道中的大肠杆菌减少。在SNIPR Biome研究中，CRISPR导致的大肠杆菌被杀死。

自2014年Bikard和Marraffini在《自然生物技术》发表论文以来，人们已经知道使用CRISPR-Cas切割细菌染色体可以有效杀死细菌。但第一代基因编辑工具效率不高，主要用于实验室环境中的修改，大多数细菌在这一过程中会被杀死。因此，如果目标是在体内进行修改并维持细菌群体，第一代CRISPR工具并不适用。

游戏规则在碱基编辑——由Broad研究所的David Liu博士开发的更精确的基因组编辑形式——进入工具箱时改变了。Eligo结合其在基因组编辑和递送方面的知识，实现了在不改变微生物群体组成的情况下高效编辑细菌。

在针对小鼠肠道内定殖的大肠杆菌时，Eligo的技术在超过90%的细菌中修改了目标基因，有时达到了99.7%。这些修改在至少42天内保持稳定。

Barrangou指出，这些编辑的渗透率显示出惊人的效率。“他们正在设定标准，”他对GEN表示。“能够做到这一点是一回事。但能够以这种持久性和效率做到这一点实际上非常重要，并为该领域的新机遇奠定了基础。”

对Bikard来说，解决基因编辑问题并不像解决递送问题那样困难。Eligo修改了噬菌体底盘（来自λ噬菌体）上的受体纤维，以靶向特定细菌株。通过额外的工程，这种噬菌体载体可以靶向不同的细菌株或种类。

Cress将其视为“一个可重新编程的平台”用于靶向不同的细菌。尽管如此，尽管这项研究提供了一个使用最广泛研究的噬菌体-细菌对的令人印象深刻的蓝图，Cress指出，将其扩展到其他微生物将需要为非模式细菌开发有效的遗传工具，并深入了解研究较少的噬菌体的遗传学和生物学。

Duportet指出的另一个进展是，他的团队能够使用目标细菌中的非复制质粒证明相同的编辑效率。这是一个额外的好处，因为它们不在动物的微生物组中维持转基因。

漫长的道路

Eligo的长期目标是开发治疗方法——不一定是针对传染病。其兴趣延伸到改变微生物组的遗传内容以改变宿主相关疾病的因素。

一个适用的例子是将碱基编辑器传递到表达毒素colibactin的共生肠道大肠杆菌，以使其致突变潜力失活，从而防止人类结直肠肿瘤的发展。

但前方道路漫长，挑战依然存在。Cress指出，这种方法使用基因编辑机械的短期递送来进行基因破坏，但其他类型的编辑（如基因插入）需要更长时间来完成（如CRISPR相关转座酶），因此可能需要不同的递送方法。Cress还认为，“这项研究中的编辑类型可能会通过自然突变恢复，使基因移除比基因破坏更具持久性。”

这项研究还提出了新问题。解开微生物组的遗传网络仍处于起步阶段。研究人员是否有足够的知识使用这一新工具？

“拥有基因编辑工具很重要，”Barrangou指出。但最终，“真正重要的是知道靶向什么。知道靶向什么以及想要进行何种编辑是秘诀的一部分。”

但Bikard认为，这项工作将有助于回答一些这些问题。他说，这将是研究人员的一个非凡工具，因为它提供了在动物体内直接探究基因功能的可能性。他很高兴在他位于巴黎另一端的学术实验室中使用它。

Duportet希望科学家们会使用这一方法，并乐于发出“合作的呼吁”。“我们无法研究所有的东西，也无法找到所有需要编辑的靶点，”他指出。“但我们有知识来设计载体和有效载荷，使其成为可能。”

参考文献：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07681-w

编辑：王洪

排版：李丽