今日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表了一篇關(guān)于基因編輯的重要論文。來自Broad研究所的CRISPR大牛劉如謙（David Liu）教授團隊開發(fā)了一種新型的基因編輯技術(shù)，有望修復(fù)大約89%的已知人類致病變異。這項研究在發(fā)表之前，就已經(jīng)在一些學(xué)術(shù)會議上得到了很多科學(xué)家的關(guān)注。正式上線后，更是引起了業(yè)內(nèi)的點贊和熱議，被認(rèn)為是“極為重要”的成果。

▲學(xué)術(shù)經(jīng)緯團隊提前從《自然》獲得了經(jīng)授權(quán)的校對版本（圖片來源：參考資料[1]）

那么，這項技術(shù)究竟牛在哪里？要講清楚這一點，我們還要先看看傳統(tǒng)的基因編輯是怎么做的。

目前，應(yīng)用最為廣泛的基因編輯技術(shù)之一，便是CRISPR-Cas9系統(tǒng)。在這套系統(tǒng)里，Cas9蛋白會在目標(biāo)DNA序列上切出口子，造成雙鏈DNA斷裂。隨后，再利用同源重組等方法，在DNA修復(fù)的過程中對基因組進行編輯。

▲傳統(tǒng)的CRISPR-Cas9基因編輯方法示意圖（圖片來源：J LEVIN W [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]）

這一方法雖然有效，但很粗暴。打個比方，這就好像一頁書上有錯別字，為了修正書上的錯誤，要把這整頁書給撕下來，再重新粘上一頁那樣。可以想象，這樣的工作談不上優(yōu)雅，也容易產(chǎn)生潛在的問題。

過去，包括劉如謙教授課題組在內(nèi)，一些科學(xué)家們開發(fā)出了“單堿基編輯系統(tǒng)”。與傳統(tǒng)的CRISPR-Cas9系統(tǒng)不同，它將經(jīng)過修飾的Cas9蛋白與另一種酶直接融合在一起。在目標(biāo)DNA位點，它不會切開DNA鏈，而是對單個堿基進行修改，如將A變成G，或是把C變成T。這一方法能夠?qū)c突變進行“微調(diào)”，不過并不適合大段大段的修改。此外，它只能進行四種修改（比如不能把T變成A），還存在潛在的脫靶問題。

而在今日的這項研究中，我們見證了一種新型基因編輯技術(shù)的誕生。這種技術(shù)被稱為“先導(dǎo)編輯”（prime editing），核心之一是一種由Cas9蛋白與逆轉(zhuǎn)錄酶（reverse transcriptase）融合而成的特殊蛋白。該技術(shù)的另一個關(guān)鍵是一種特殊的gRNA，它被研究人員們稱為“pegRNA”，其中pe是“先導(dǎo)編輯”英文單詞的兩個首字母。

與普通的gRNA不同，這種pegRNA不但能夠結(jié)合想要進行編輯的特定DNA區(qū)域，還自帶“修改模板”。Cas9-逆轉(zhuǎn)錄酶融合蛋白會在pegRNA的引導(dǎo)下，精準(zhǔn)地切開一條DNA鏈，然后根據(jù)“修改模板”，合成含有正確序列的DNA。細(xì)胞內(nèi)的DNA修復(fù)機制會自動把這段新合成的序列整合進基因組。

隨后，研究人員們故技重施，在另一條DNA鏈上進行同樣的操作。這樣一來，兩條DNA都能得到正確的編輯。

▲先導(dǎo)編輯技術(shù)的示意圖（圖片來源：Susanna Hamilton, Broad Institute）

“結(jié)果就是（給基因組帶來）永久的改變，這些改變來源于pegRNA所編碼的信息。”劉如謙教授說道。

正是由于這套系統(tǒng)的靈活性，原本不可能實現(xiàn)的單堿基編輯（如將T轉(zhuǎn)變?yōu)锳），也成為了可能。與單堿基編輯只能進行4種轉(zhuǎn)換相比，這套先導(dǎo)編輯系統(tǒng)能進行12種單堿基的轉(zhuǎn)化。也就是說，他們可以把任何堿基轉(zhuǎn)化為任何其他堿基，包含了所有的12種可能性。

在多種人類細(xì)胞中，研究人員們證實了這一系統(tǒng)的編輯能力。此外，它的編輯潛力在小鼠神經(jīng)元里也得到了證實。除了對單個堿基進行修改之外，這一系統(tǒng)還能夠插入或刪除特定的DNA序列。根據(jù)論文，研究人員們最多可以插入44個堿基，或是刪除80個堿基。

“通過先導(dǎo)編輯技術(shù)，我們能直接修正鐮狀細(xì)胞貧血癥的突變（學(xué)術(shù)經(jīng)緯注：A突變成了T），讓序列回歸正常。我們也能移除戴薩克斯癥（Tay Sachs disease）多出的4個堿基。這都不需要完全切開DNA，或添加DNA模板，”劉如謙教授在Broad研究所的新聞稿里說道：“這一系統(tǒng)的美麗之處在于幾乎對編輯的序列沒有限制。由于添加上的堿基僅由pegRNA來決定，我們能加上與原本序列僅差1個堿基的序列，也可以加上多了幾個，或少了幾個堿基的序列。我們還可以對這些變化進行排列組合。”

可喜的是，研究人員們還發(fā)現(xiàn)，與需要斷開雙鏈DNA的傳統(tǒng)方式相比，先導(dǎo)編輯系統(tǒng)的脫靶編輯風(fēng)險更低。

目前，這一系統(tǒng)已向?qū)W術(shù)界和非營利組織免費公開。

當(dāng)然，由于這一系統(tǒng)依舊是一類全新的基因組編輯方法，因此還需要進一步的檢驗和改良，才能用于人類。不過，這一系統(tǒng)展示的潛力，已經(jīng)讓我們看到了一個能夠有效治療罕見遺傳病的未來。我們期待這一天的早日到來。

參考資料：[1] Andrew V. Anzalone et al., (2019), Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA, Nature, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1711-4

[2] New CRISPR genome editing system offers a wide range of versatility in human cells, Retrieved October 21, 2019, from https://www.broadinstitute.org/news/new-crispr-genome-editing-system-offers-wide-range-versatility-human-cells

[3] New CRISPR tool has the potential to correct almost all disease-causing DNA glitches, scientists report, Retrieved October 21, 2019, from https://www.statnews.com/2019/10/21/new-crispr-tool-has-potential-to-correct-most-disease-causing-dna-glitches/