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(lái)自Broad研究所的CRISPR大牛劉如謙(David Liu)教授團(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究在發(fā)表之前，就已經(jīng)在一些學(xué)術(shù)會(huì)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(diǎn)贊和熱議，被認(rèn)為是“極為重要”的成果。

▲學(xué)術(shù)經(jīng)緯團(tuán)隊(duì)提前從《自然》獲得了經(jīng)授權(quán)的校對(duì)版本(圖片來(lái)源：參考資料[1])

那么，這項(xiàng)技術(shù)究竟牛在哪里?要講清楚這一點(diǎn)，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(huì)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(guò)程中對(duì)基因組進(jìn)行編輯。

▲傳統(tǒng)的CRISPR-Cas9基因編輯方法示意圖(圖片來(lái)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(gè)比方，這就好像一頁(yè)書上有錯(cuò)別字，為了修正書上的錯(cuò)誤，要把這整頁(yè)書給撕下來(lái)，再重新粘上一頁(yè)那樣?？梢韵胂螅@樣的工作談不上優(yōu)雅，也容易產(chǎn)生潛在的問(wèn)題。

過(guò)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(guò)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(diǎn)，它不會(huì)切開DNA鏈，而是對(duì)單個(gè)堿基進(jìn)行修改，如將A變成G，或是把C變成T。這一方法能夠?qū)c(diǎn)突變進(jìn)行“微調(diào)”，不過(guò)并不適合大段大段的修改。此外，它只能進(jìn)行四種修改(比如不能把T變成A)，還存在潛在的脫靶問(wèn)題。

▲劉如謙(David Liu)教授是基因編輯領(lǐng)域的知名學(xué)者(圖片來(lái)源：ServiceAT [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)])

而在今日的這項(xiàng)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(gè)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(gè)首字母。

與普通的gRNA不同，這種pegRNA不但能夠結(jié)合想要進(jìn)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(huì)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(jī)制會(huì)自動(dòng)把這段新合成的序列整合進(jìn)基因組。

隨后，研究人員們故技重施，在另一條DNA鏈上進(jìn)行同樣的操作。這樣一來(lái)，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(lái)源：Susanna Hamilton, Broad Institute)

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

正是由于這套系統(tǒng)的靈活性，原本不可能實(shí)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(jìn)行4種轉(zhuǎn)換相比，這套先導(dǎo)編輯系統(tǒng)能進(jìn)行12種單堿基的轉(zhuǎn)化。也就是說(shuō)，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(shí)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(shí)。除了對(duì)單個(gè)堿基進(jìn)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(gè)堿基，或是刪除80個(gè)堿基。

▲這一技術(shù)不僅能進(jìn)行單堿基編輯，還可以插入/刪除特定的DNA序列(圖片來(lái)源：Pixabay)

“通過(guò)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(gè)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(shuō)道：“這一系統(tǒng)的美麗之處在于幾乎對(duì)編輯的序列沒(méi)有限制。由于添加上的堿基僅由pegRNA來(lái)決定，我們能加上與原本序列僅差1個(gè)堿基的序列，也可以加上多了幾個(gè)，或少了幾個(gè)堿基的序列。我們還可以對(duì)這些變化進(jìn)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(xiǎn)更低。

目前，這一系統(tǒng)已向?qū)W術(shù)界和非營(yíng)利組織免費(fèi)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(jìn)一步的檢驗(yàn)和改良，才能用于人類。不過(guò)，這一系統(tǒng)展示的潛力，已經(jīng)讓我們看到了一個(gè)能夠有效治療罕見遺傳病的未來(lái)。我們期待這一天的早日到來(lái)。