“耶，科學(xué)!”美國(guó)加州伯克利創(chuàng)新基因組學(xué)研究所科學(xué)主任 Fyodor Urnov 對(duì)于這個(gè)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(xiàn)發(fā)表了一項(xiàng)重磅研究成果，來(lái)自美國(guó)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種超精確的新型基因編輯工具 PE （Prime Editors），無(wú)需 DNA 雙鏈斷裂，無(wú)需額外的 DNA 模板，便可實(shí)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(shí)現(xiàn)多堿基的精準(zhǔn)增刪，這一成果完全可以稱(chēng)之為基因編輯領(lǐng)域的里程碑突破。

（來(lái)源：Nature）

在?Nature?雜志官網(wǎng)今天配發(fā)的新聞報(bào)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(lèi)遺傳變異（美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院已列出 75000 多個(gè)與疾病相關(guān)的 DNA 變異），而且這一最新工具所能實(shí)現(xiàn)的精準(zhǔn)編輯，也使研究人員更容易在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)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(duì)此進(jìn)行了報(bào)道，其中 CRISPR 的先驅(qū)、哈佛大學(xué)化學(xué)家喬治·丘奇（George Church）評(píng)價(jià)道說(shuō)：“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(guò)他補(bǔ)充說(shuō)，現(xiàn)在還為時(shí)過(guò)早，畢竟這項(xiàng)技術(shù)“今年才出現(xiàn)”。

超越CRISPR

眾所周知，人類(lèi)基因包含 60 億個(gè) DNA 堿基，這些化學(xué)堿基通過(guò) A、C、G、T 來(lái)表示。這些堿基通過(guò)配對(duì)，比如 A 和 T、C 和 G，來(lái)組成 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)。

三十多年前，科學(xué)家們?cè)谌祟?lèi)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(gè)被簡(jiǎn)稱(chēng)為 CRISPR 的密碼被科學(xué)家們巧妙利用，誕生了有史以來(lái)最強(qiáng)大的基因編輯工具CRISPR-Cas9，并引發(fā)了整個(gè)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(lái)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(qiáng)大的工具。

圖丨CRISPR-Cas9 基因編輯系統(tǒng)（來(lái)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(shí)它仍然有些笨拙，容易出錯(cuò)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(jìn)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(shí)現(xiàn)單個(gè)堿基的替換或增刪，并且不會(huì)造成 DNA 鏈的斷裂。

單堿基基因編輯之所以有效，是因?yàn)槠鋵?shí)有時(shí)候 DNA 長(zhǎng)鏈中只會(huì)有某一對(duì)堿基發(fā)生變異，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“點(diǎn)突變”（point mutation）。

2016 年，劉如謙團(tuán)隊(duì)改造了 CRISPR-Cas9 技術(shù)，研發(fā)出首個(gè)可編輯 DNA 單個(gè)堿基的基因編輯技術(shù) CBE（Cytosine Base Editor），可以將 C-G 堿基對(duì)轉(zhuǎn)變成 T-A 堿基對(duì)；不久，該團(tuán)隊(duì)又獲得可將 A-T 堿基對(duì)轉(zhuǎn)變成 G-C 堿基對(duì)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(duì)其他 DNA 鏈進(jìn)行修復(fù)以完成整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程。而最終的結(jié)果就是 A-T 堿基對(duì)被成功轉(zhuǎn)換為 G-C 堿基對(duì)。這種技術(shù)的精妙之處就在于，將基因編碼中的錯(cuò)誤進(jìn)行重寫(xiě)，而不是像傳統(tǒng)編輯方法那樣對(duì) DNA 片段整體進(jìn)行剪輯或切除。

而今天劉如謙團(tuán)隊(duì)發(fā)布的 PE 基因編輯工具，其突破在于實(shí)現(xiàn)了 ATCG 四種堿基間 12 種堿基的任意修改，比迄今開(kāi)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(lái)源：Nature）

CRISPR Cas9 和 PE 系統(tǒng)都是通過(guò)在基因組的特定點(diǎn)上切割 DNA 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不同的是，CRISPR-Cas9 系統(tǒng)會(huì)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(bǔ)損傷從而實(shí)現(xiàn)編輯。但這種修復(fù)系統(tǒng)并不可靠，因?yàn)樗梢栽诨蚪M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(lái)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(jìn)行那些小的、隨機(jī)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(guò) CRISPR-Cas9 基因編輯工具實(shí)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(lái)識(shí)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(shí)現(xiàn)編輯。

PE 編輯工具中的酶不需要破壞兩條 DNA 鏈來(lái)進(jìn)行編輯，這樣研究人員就不必依賴(lài)于無(wú)法控制的細(xì)胞 DNA 修復(fù)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)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(wú)法像 CRISPR-Cas9 那樣進(jìn)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(lèi)型的編輯仍需要不同類(lèi)型的基因組編輯平臺(tái)?！?/p>

基因的修改者

2017 年，劉如謙因開(kāi)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?yàn)?CRISPR 基因編輯技術(shù)的開(kāi)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(kāi)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(yù)退休教授、諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(píng)價(jià)：“那篇論文絕對(duì)完美，不需要任何編輯?！?/p>

劉如謙的職業(yè)生涯充滿(mǎn)了冒險(xiǎn)色彩。在加州大學(xué)伯克利分校攻讀博士生期間，他還開(kāi)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(dá)的方法?！拔矣浀靡恍﹥?yōu)秀的高年級(jí)研究生告訴我，這個(gè)項(xiàng)目非常瘋狂，”劉如謙說(shuō)。

劉如謙在讀博士四年級(jí)時(shí)，科里邀請(qǐng)他回哈佛大學(xué)作學(xué)術(shù)匯報(bào)，他的報(bào)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(qǐng)他入職。2017 年 2 月，David 的團(tuán)隊(duì)搬到了大名鼎鼎的博德研究所（Broad Institute ）。

圖 | 劉如謙（來(lái)源：Nature）

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

CRISPR-Cas9 是基因編輯技術(shù)中非常熱門(mén)的工具，但在臨床應(yīng)用中卻受 CRISPR-Cas9 本身不可預(yù)測(cè)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(lài)細(xì)胞自身的修復(fù)系統(tǒng)來(lái)恢復(fù)剪切，對(duì)基因組產(chǎn)生不同的編輯效果。劉如謙的實(shí)驗(yàn)室尋找能夠改善這個(gè)問(wèn)題的方法。

2016 年，博士后亞歷克西斯·科莫（Alexis Komor）以及劉如謙團(tuán)隊(duì)中的其他成員共同報(bào)告了首個(gè)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(guò)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(yú)和小鼠等。

2017 年 10 月，劉如謙在博德研究所( Broad Institute )的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一項(xiàng)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(wú)需切割 DNA 的情況下實(shí)現(xiàn)單基因替換：腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）堿基對(duì)轉(zhuǎn)化為鳥(niǎo)嘌呤（G）和胞嘧啶（C）堿基對(duì)。這種酶并非天然存在，劉如謙和他的團(tuán)隊(duì)能做到這一點(diǎn)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(zhuān)利的張鋒拿到 4300 萬(wàn)美元的風(fēng)險(xiǎn)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(kāi)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?wèn)題與張鋒分道揚(yáng)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(shí)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(lái)應(yīng)對(duì)全球糧食挑戰(zhàn)。

圖丨Beam Therapeutics 團(tuán)隊(duì)：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(gè)利用單堿基編輯技術(shù)開(kāi)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(dá) 8700 萬(wàn)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(guó)證券交易委員會(huì)（SEC）遞交了納斯達(dá)克上市申請(qǐng)。

Beam 表示，大多數(shù)臨床前項(xiàng)目已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)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(dòng)物中驗(yàn)證并測(cè)試細(xì)胞堿基編輯技術(shù)，如果一切順利，其可能會(huì)在2021年啟動(dòng)多個(gè)人體試驗(yàn)的項(xiàng)目申請(qǐng)。

來(lái)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