“耶，科學(xué)!”美國加州伯克利創(chuàng)新基因組學(xué)研究所科學(xué)主任 Fyodor Urnov 對于這個新的基因編輯工具的興奮不能自已。

2019 年 10 月 21 日，Nature?雜志官網(wǎng)預(yù)先在線發(fā)表了一項重磅研究成果，來自美國麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué) Broad 研究所 CRISPR 大牛劉如謙（David Liu）教授團隊開發(fā)出一種超精確的新型基因編輯工具 PE （Prime Editors），無需 DNA 雙鏈斷裂，無需額外的 DNA 模板，便可實現(xiàn) ATCG 四種堿基間所有 12 種單堿基的自由“改變”，并且能有效實現(xiàn)多堿基的精準(zhǔn)增刪，這一成果完全可以稱之為基因編輯領(lǐng)域的里程碑突破。

（來源：Nature）

在?Nature?雜志官網(wǎng)今天配發(fā)的新聞報道中，劉如謙表示該新型基因編輯工具有望幫助研究人員糾正近 90% 已知的致病性人類遺傳變異（美國國立衛(wèi)生研究院已列出 75000 多個與疾病相關(guān)的 DNA 變異），而且這一最新工具所能實現(xiàn)的精準(zhǔn)編輯，也使研究人員更容易在實驗室中開發(fā)疾病模型，或研究特定基因的功能。

Science 雜志官網(wǎng)今天也對此進行了報道，其中 CRISPR 的先驅(qū)、哈佛大學(xué)化學(xué)家喬治·丘奇（George Church）評價道說：“這是朝著正確方向邁出的一大步?！?/p>

Fyodor Urnov 認(rèn)為，PE 基因編輯工具很可能成為修復(fù)致病突變的有效方式，不過他補充說，現(xiàn)在還為時過早，畢竟這項技術(shù)“今年才出現(xiàn)”。

超越CRISPR

眾所周知，人類基因包含 60 億個 DNA 堿基，這些化學(xué)堿基通過 A、C、G、T 來表示。這些堿基通過配對，比如 A 和 T、C 和 G，來組成 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)。

三十多年前，科學(xué)家們在人類腸道細(xì)菌基因中偶然發(fā)現(xiàn)一組重復(fù)回文密碼，數(shù)年后，這個被簡稱為 CRISPR 的密碼被科學(xué)家們巧妙利用，誕生了有史以來最強大的基因編輯工具CRISPR-Cas9，并引發(fā)了整個基因編輯領(lǐng)域的爆炸式發(fā)展。

作為當(dāng)今生命科學(xué)領(lǐng)域最火熱的基因編輯技術(shù)，CRISPR 基因編輯工具不僅為未來基因工程和治療提供了全新的方案，也為基因的全面研究及其在生命中的重要性探索提供了強大的工具。

圖丨CRISPR-Cas9 基因編輯系統(tǒng)（來源：bing）

雖然 CRISPR–Cas9 基因編輯工具可以輕松地改變基因組，但其實它仍然有些笨拙，容易出錯和產(chǎn)生意想不到的影響，即所謂的脫靶效應(yīng)。

與 CRISPR–Cas9 基因編輯工具進行“大段”的堿基修改相比，基于 CRISPR 改良后的單堿基編輯技術(shù)則可以實現(xiàn)單個堿基的替換或增刪，并且不會造成 DNA 鏈的斷裂。

單堿基基因編輯之所以有效，是因為其實有時候 DNA 長鏈中只會有某一對堿基發(fā)生變異，這種現(xiàn)象被稱為“點突變”（point mutation）。

2016 年，劉如謙團隊改造了 CRISPR-Cas9 技術(shù)，研發(fā)出首個可編輯 DNA 單個堿基的基因編輯技術(shù) CBE（Cytosine Base Editor），可以將 C-G 堿基對轉(zhuǎn)變成 T-A 堿基對；不久，該團隊又獲得可將 A-T 堿基對轉(zhuǎn)變成 G-C 堿基對的堿基編輯器 ABE（Adenine Base Editor）。

以 ABE 基因編輯器為例，可以重構(gòu)單堿基 A 的分子結(jié)構(gòu)，使其重組為 G，從而觸發(fā)細(xì)胞對其他 DNA 鏈進行修復(fù)以完成整個轉(zhuǎn)換過程。而最終的結(jié)果就是 A-T 堿基對被成功轉(zhuǎn)換為 G-C 堿基對。這種技術(shù)的精妙之處就在于，將基因編碼中的錯誤進行重寫，而不是像傳統(tǒng)編輯方法那樣對 DNA 片段整體進行剪輯或切除。

而今天劉如謙團隊發(fā)布的 PE 基因編輯工具，其突破在于實現(xiàn)了 ATCG 四種堿基間 12 種堿基的任意修改，比迄今開發(fā)的其他 CRISPR 替代技術(shù)都更精確、更靈活。

圖 | PE 基因編輯工具原理（來源：Nature）

CRISPR Cas9 和 PE 系統(tǒng)都是通過在基因組的特定點上切割 DNA 來實現(xiàn)的。不同的是，CRISPR-Cas9 系統(tǒng)會破壞 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的兩條鏈，然后依靠細(xì)胞自身的修復(fù)系統(tǒng)修補損傷從而實現(xiàn)編輯。但這種修復(fù)系統(tǒng)并不可靠，因為它可以在基因組被切斷的地方插入或刪除 DNA 堿基，這可能導(dǎo)致不可控的混合編輯。

此外，即使研究人員使用模板來指導(dǎo)基因組的編輯，大多數(shù)細(xì)胞的 DNA 修復(fù)系統(tǒng)也更有可能進行那些小的、隨機的插入或刪除，而不是向基因組添加特定的 DNA 序列。這使得研究人員很難——在某些情況下，幾乎不可能——通過 CRISPR-Cas9 基因編輯工具實現(xiàn)想要的 DNA 修改。

盡管 PE 系統(tǒng)也使用像 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)那樣的 Cas9 酶來識別特定的 DNA 序列，但是 PE 編輯工具中的 Cas9 酶被修改為只切割一條 DNA 鏈，然后，在 RNA 鏈的引導(dǎo)下逆轉(zhuǎn)錄酶在切口處實現(xiàn)編輯。

PE 編輯工具中的酶不需要破壞兩條 DNA 鏈來進行編輯，這樣研究人員就不必依賴于無法控制的細(xì)胞 DNA 修復(fù)系統(tǒng)來進行他們想要的基因編輯。這也就意味著，PE 基因編輯技術(shù)可以幫助治療現(xiàn)有基因編輯工具很難解決的由基因突變引起的疾病。

馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子生物學(xué)家 Erik Sontheimer 表示，PE 系統(tǒng)可能無法像 CRISPR-Cas9 那樣進行非常大的 DNA 片段插入或刪除，所以它不太可能完全取代現(xiàn)有成熟的基因編輯工具，“不同類型的編輯仍需要不同類型的基因組編輯平臺?！?/p>

基因的修改者

2017 年，劉如謙因開發(fā)的全新的“堿基編輯器”而當(dāng)選《自然》年度 10 大人物，2013 年，張鋒同樣因為 CRISPR 基因編輯技術(shù)的開發(fā)而入選。

在?Nature?雜志刊發(fā)的介紹中指出，基因的修改者劉如謙所開發(fā)的基因修改工具是自然中前所未有的，而它有一天可能救命。

劉如謙的本科指導(dǎo)老師、哈佛大學(xué)榮譽退休教授、諾貝爾化學(xué)獎得主科里(E. J. Corey)至今依然記得劉如謙的本科畢業(yè)論文?？评镞@樣評價：“那篇論文絕對完美，不需要任何編輯。”

劉如謙的職業(yè)生涯充滿了冒險色彩。在加州大學(xué)伯克利分校攻讀博士生期間，他還開發(fā)了一種將非天然氨基酸與活細(xì)胞蛋白質(zhì)共同表達的方法?！拔矣浀靡恍﹥?yōu)秀的高年級研究生告訴我，這個項目非常瘋狂，”劉如謙說。

劉如謙在讀博士四年級時，科里邀請他回哈佛大學(xué)作學(xué)術(shù)匯報，他的報告讓化學(xué)系教授們印象深刻，所以劉如謙一拿到博士學(xué)位，他們就邀請他入職。2017 年 2 月，David 的團隊搬到了大名鼎鼎的博德研究所（Broad Institute ）。

圖 | 劉如謙（來源：Nature）

十多年來，劉如謙一直專注于研究一種強大的基因編輯技術(shù)——近來被人們熟知的 CRISPR。然而，要想真正精確地編輯基因組，這項技術(shù)還不完善。CRISPR 在重寫某些細(xì)胞中的 DNA 序列片段時并非完全可靠，科學(xué)家們想要在基因組中實現(xiàn)的某些變化也可能帶來問題。

CRISPR-Cas9 是基因編輯技術(shù)中非常熱門的工具，但在臨床應(yīng)用中卻受 CRISPR-Cas9 本身不可預(yù)測性的限制，雖然 Cas9 酶在能科學(xué)家的指導(dǎo)下靶向切割 DNA，但 DNA 必須依賴細(xì)胞自身的修復(fù)系統(tǒng)來恢復(fù)剪切，對基因組產(chǎn)生不同的編輯效果。劉如謙的實驗室尋找能夠改善這個問題的方法。

2016 年，博士后亞歷克西斯·科莫（Alexis Komor）以及劉如謙團隊中的其他成員共同報告了首個堿基編輯，他們依靠天然酶把 C 轉(zhuǎn)換成 T，或者把 G 轉(zhuǎn)換成 A。這是研究人員首次通過可靠且可控的方式使活細(xì)胞的基因序列發(fā)生了單堿基改變。自那以后，這種方法已被用于一系列生物體中，包括小麥、斑馬魚和小鼠等。

2017 年 10 月，劉如謙在博德研究所( Broad Institute )的團隊發(fā)表了一項研究，研究中他們大膽嘗試調(diào)整 CRISPR 系統(tǒng)。劉如謙使用腺嘌呤堿基編輯器，催化 DNA 堿基的 TadA 酶，得以在無需切割 DNA 的情況下實現(xiàn)單基因替換：腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）堿基對轉(zhuǎn)化為鳥嘌呤（G）和胞嘧啶（C）堿基對。這種酶并非天然存在，劉如謙和他的團隊能做到這一點完全出乎人們的意料。

此外，劉如謙也是 Editas Medicine、Pairwise Plants 和 Beam Therapeutics 等多家生物技術(shù)公司的創(chuàng)始人或聯(lián)合創(chuàng)始人。

2013 年，手握 CRISPR 主要專利的張鋒拿到 4300 萬美元的風(fēng)險投資，與其他四位 CRISPR 基因編輯領(lǐng)域大牛聯(lián)合創(chuàng)辦了 Editas Medicine，致力于開發(fā)基于 CRISPR 技術(shù)的治療方法。這四位聯(lián)合創(chuàng)始人包括加州大學(xué)伯克利分校 Jennifer Doudna（后因?qū)＠麊栴}與張鋒分道揚鑣）、哈佛醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)泰斗 George Church、麻省總醫(yī)院病理學(xué)研究副主任 J.Keith Joung 和當(dāng)時在霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所任研究員的劉如謙。

2017 年，劉如謙和張鋒、Keith Joung 共同創(chuàng)立一家新型基因編輯農(nóng)業(yè)公司 Pairwise Plants，致力于利用基因編輯技術(shù)，以新的方式利用農(nóng)作物的自然多樣性來應(yīng)對全球糧食挑戰(zhàn)。

圖丨Beam Therapeutics 團隊：CEO John Evans 及聯(lián)合創(chuàng)始人劉如謙、Keith Joung、 張鋒（從左至右）

2018 年，劉如謙和張鋒、Keith Joung 又共同創(chuàng)立首個利用單堿基編輯技術(shù)開發(fā)精準(zhǔn)基因藥物的創(chuàng)新公司 Beam Therapeutics，這家備受關(guān)注的明星公司成立之初便宣布完成高達 8700 萬美元的 A 輪融資，今年 3 月 Beam Therapeutic 又宣布完成 1.35 億美元的 B 輪融資。

2019 年 9 月 27 日，Beam Therapeutics 已經(jīng)正式向美國證券交易委員會（SEC）遞交了納斯達克上市申請。

Beam 表示，大多數(shù)臨床前項目已經(jīng)在實驗室中證明了“治療相關(guān)”的細(xì)胞堿基編輯技術(shù)。明年，其目標(biāo)是在動物中驗證并測試細(xì)胞堿基編輯技術(shù)，如果一切順利，其可能會在2021年啟動多個人體試驗的項目申請。

來源：DeepTech深科技

參考：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1711-4
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03164-5
https://www.sciencemag.org/news/2019/10/new-prime-genome-editor-could-surpass-crispr