你的父母送給你的最重要的禮物就是組成你基因組的兩組30億個字母的DNA。但是就像任何含有30億組成部分的東西一樣，這份禮物是脆弱的。陽光，吸煙，不健康的飲食，甚至你細胞自發(fā)的錯誤，都會導(dǎo)致你的基因組發(fā)生改變。DNA中最常見的變化是一個字母或堿基的簡單交換，比如C和一個不同的字母，如T、G或A交換。每一天，你體內(nèi)的細胞都會積累數(shù)十億個這樣的單字母交換，這也被稱為“點突變”。

       這些點突變大多是無害的。但時不時地，點突變會破壞細胞的重要功能，或?qū)е录毎杂泻Φ姆绞疆a(chǎn)生錯誤行為。如果這種突變是從你的父母那里遺傳的，或者在你發(fā)育早期的時候發(fā)生的，那么結(jié)果就是你的許多或者所有的細胞都包含這種有害的突變。然后你就會成為億萬遺傳疾病患者中的一員，比如鐮刀型紅血球疾病、早衰癥、肌肉萎縮癥或家族黑蒙性白癡病。

       由點突變引起的嚴(yán)重遺傳疾病尤其令人沮喪，因為我們常常知道引起疾病的確切的單個字母的改變，理論上其實可以治愈這種疾病。數(shù)以百萬計的人患有鐮刀型紅血球疾病，只因為他們的血紅蛋白基因的兩個拷貝都有一個A到T的點突變。早衰癥患兒出生時基因組中某個特定位點有一個T，而一般人的基因組中是一個C，這種突變會帶來毀滅性的后果，那就是這些出色的、聰明的孩子很快就會衰老，并在14歲左右去世。縱觀醫(yī)學(xué)史，我們還沒有一種方法能夠有效地糾正生命系統(tǒng)中的點突變，將導(dǎo)致疾病的T變回C，也許直到今天也是如此。因為我的實驗室最近成功地開發(fā)了這樣一種能力，我們稱之為“堿基編輯”。

       我們?nèi)绾伟l(fā)展堿基編輯的故事實際上開始于30億年前。我們認為細菌是感染源，但細菌本身也容易被感染，尤其是被病毒感染。所以大約30億年前，細菌進化出一種防御機制來對抗病毒感染。這種防御機制現(xiàn)在更廣為人知的名稱是CRISPR。而CRISPR中的彈頭就是這種紫色的蛋白質(zhì)，它像分子剪刀一樣剪切DNA，把雙螺旋結(jié)構(gòu)一分為二。如果CRISPR不能區(qū)分細菌和病毒DNA，它就不會是一個非常有用的防御系統(tǒng)。

       但CRISPR最令人驚異的特點是，剪刀可以被編程為只搜索、綁定和剪切特定的DNA序列。因此，當(dāng)一個細菌第一次遇到病毒時，它可以儲存病毒DNA的一小段，作為一個程序，用來指導(dǎo)CRISPR剪刀在未來感染期間切斷病毒DNA序列。切割病毒的DNA會擾亂被切割的病毒基因的功能，從而擾亂病毒的生命周期。

       六年前，包括Emmanuelle Charpentier、George Church、Jennifer Doudna和張鋒在內(nèi)的杰出研究人員向我們展示了CRISPR剪刀是如何被編程來剪切我們選擇的DNA序列，包括人的基因組序列，來取代細菌選擇的病毒DNA序列。但結(jié)果其實是相似的。在人的基因組中剪切一個DNA序列也會擾亂剪切基因的功能，因為這會造成在剪切位點插入和刪除隨機的DNA字母混合物。

       單純對基因的干擾在某些應(yīng)用中可能非常有用。但對于大多數(shù)引起遺傳性疾病的點突變來說，僅僅切除已經(jīng)變異的基因?qū)Σ∪藳]有好處，因為變異基因的功能需要恢復(fù)，而不是進一步破壞。因此，切斷這種導(dǎo)致鐮刀型紅血球疾病的已經(jīng)突變的血紅蛋白基因，不會恢復(fù)患者制造健康紅細胞的能力。雖然我們有時可以在細胞中引入新DNA序列來取代切割位點周圍的DNA序列，但不幸的是，這個過程在大多數(shù)類型的細胞中都不起作用，而且受損的基因結(jié)果仍然占主導(dǎo)地位。

       像許多科學(xué)家一樣，我一直夢想著我們能夠治療甚至治愈人類遺傳性疾病的未來。但是我認為，現(xiàn)在還缺乏方法可以修復(fù)引起大多數(shù)遺傳病的點突變，這是一個實現(xiàn)夢想的主要的障礙。

       作為一名化學(xué)家，我開始和我的學(xué)生們一起研究直接在單個DNA堿基上進行化學(xué)反應(yīng)的方法，來真正修復(fù)，而不是破壞，引起遺傳疾病的突變。我們努力的結(jié)果就是被稱為"堿基編輯器"的分子機器。堿基編輯器使用CRISPR剪刀的可編程搜索機制，但他們沒有切割DNA，而是直接將一個堿基轉(zhuǎn)換成另一個堿基，而不會破壞基因的其余部分。因此，如果你把自然產(chǎn)生的CRISPR蛋白質(zhì)想象成分子剪刀，你可以把堿基編輯器想象成鉛筆，它可以直接將一個DNA堿基的原子結(jié)構(gòu)重新排列成另一個堿基，從而將一個DNA堿基改寫成另一個DNA堿基。

       堿基編輯器在自然中并不存在。事實上，我們設(shè)計了第一個堿基編輯器，如圖所示，三個不同的蛋白質(zhì)，它們甚至不是來自同一個生物體。我們首先采取CRISPR剪刀和禁用能力的方式剪切DNA，同時保留其能力，從而可以按照編程好的方式搜索和結(jié)合目標(biāo)DNA序列。對于那些失去功能的CRISPR剪刀，如藍色所示，我們附加了第二個紅色的蛋白質(zhì)，它對DNA的堿基C進行化學(xué)反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為一個像T一樣的堿基。最終的結(jié)果是一個由三部分組成的基因工程蛋白質(zhì)，首次允許我們在基因組的特定位置將C轉(zhuǎn)化為T。

       但即使在這一點上，我們的工作也只完成了一半。因為為了在細胞中保持穩(wěn)定，DNA雙螺旋的兩條鏈必須形成堿基對。而且因為C只與G配對，T只與A配對，僅僅在一條DNA鏈上將C變?yōu)門就會產(chǎn)生錯配——細胞必須通過決定取代哪條DNA鏈來解決兩條DNA鏈之間的分歧。我們意識到，我們可以進一步設(shè)計這個由三部分組成的蛋白質(zhì)，將未編輯的鏈標(biāo)記為要被修飾的鏈。這個小缺口使細胞在重新構(gòu)建有缺口的鏈時將未編輯的G替換為A，從而完成了原來的C-G堿基對到穩(wěn)定的T-A堿基對的轉(zhuǎn)換。

       經(jīng)過實驗室原博士后Alexis Komor幾年的努力工作，我們成功地開發(fā)出了第一類堿基編輯器，它可以在我們選擇的目標(biāo)位置上將C堿基轉(zhuǎn)換為T堿基，將G堿基轉(zhuǎn)換為A堿基。在35000多個已知的與疾病相關(guān)的點突變中，該首個堿基編輯器可以逆轉(zhuǎn)的兩種突變加起來大約占14%或5000個致病點突變。但是要糾正比例的致病點突變，就需要開發(fā)第二類堿基編輯器，一種可以將A轉(zhuǎn)換為G或T轉(zhuǎn)換為C的編輯器。在實驗室原博士后Nicole Gaudelli的帶領(lǐng)下，我們著手開發(fā)第二類基本編輯器，理論上，它可以糾正近一半的致病點突變，包括導(dǎo)致快速老化疾病早衰癥的突變。

       我們意識到，我們可以再次借鑒CRISPR剪刀的目標(biāo)機制，將新的堿基編輯器帶到基因組中的正確位置。但是我們很快就遇到了一個難以置信的問題，也就是說，沒有已知的蛋白質(zhì)可以在DNA中將A轉(zhuǎn)化為G或T轉(zhuǎn)化為C。面對這樣一個嚴(yán)重的障礙，大多數(shù)學(xué)生可能會尋找另一個項目，或者另一個研究顧問。（笑聲）但是Nicole同意繼續(xù)執(zhí)行一個當(dāng)時看起來野心勃勃的計劃。鑒于缺乏一種自然產(chǎn)生的蛋白質(zhì)來進行必要的化學(xué)反應(yīng)，我們決定在實驗室中進化出我們自己的蛋白質(zhì)，從一種在RNA上進行相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)開始，將A轉(zhuǎn)化為一種類似G的堿基。我們建立了一個達爾文式的適者生存選擇系統(tǒng)，該系統(tǒng)探索了數(shù)千萬種蛋白質(zhì)變異，只允許那些能夠產(chǎn)生必要化學(xué)反應(yīng)的罕見變異存活下來。我們最終得到了這里展示的一種蛋白質(zhì)，第一種可以將DNA中的A轉(zhuǎn)化為類似于G的堿基。當(dāng)我們把這種蛋白質(zhì)連接到失效的CRISPR剪刀上時（如藍色所示），我們制作了第二種堿基編輯器，它可以將A轉(zhuǎn)化為G，然后使用我們在第一種堿基編輯器中使用的相同的鏈切取策略，在細胞重新進行切割時，用C取代未經(jīng)編輯的T，從而完成了A-T堿基對到G-C堿基對的轉(zhuǎn)化。

       我們在三年前和一年半前開發(fā)了這兩類堿基編輯器。但即使在這么短的時間內(nèi)，堿基編輯已經(jīng)被生物醫(yī)學(xué)研究社區(qū)廣泛使用。應(yīng)全球1000多名研究人員的要求，堿基編輯已經(jīng)被應(yīng)用了6000多次。通過在細菌到植物到老鼠再到靈長類動物等生物體身上使用堿基編輯，已經(jīng)有一百篇科學(xué)研究論文被發(fā)表了。

       雖然基因編輯對于進入人類臨床試驗來說還為時尚早，但是科學(xué)家們已經(jīng)成功地實現(xiàn)了一個關(guān)鍵的里程碑，即通過在動物身上使用基因編輯器來糾正引起人類遺傳疾病的點突變。例如，我實驗室另外兩名學(xué)生Luke Koblan和Jon Levy領(lǐng)導(dǎo)的一個科學(xué)家合作團隊，最近利用一種病毒將第二堿基編輯器移植到患有早衰癥的老鼠體內(nèi)，將導(dǎo)致疾病的T堿基變回C堿基，并在DNA、RNA和蛋白質(zhì)水平上逆轉(zhuǎn)其后果。

       基因編輯器也被用在動物身上，通過直接糾正引起或促成該疾病的點突變，來逆轉(zhuǎn)酪氨酸血癥、乙型海洋性貧血分子、肌肉萎縮癥、苯丙酮尿癥、先天性耳聾和一種心血管疾病的后果。在植物中，堿基編輯器被用來引入單個DNA字母的變化，這可能會培育出更好的作物。

       生物學(xué)家已經(jīng)使用基本編輯器來探索單個字母在與癌癥等疾病相關(guān)的基因中所起的作用。我共同創(chuàng)辦的兩家公司，Beam Therapeutics和Pairwise Plants，正在使用基因編輯技術(shù)來治療人類遺傳疾病和改善農(nóng)業(yè)。所有這些基礎(chǔ)編輯的應(yīng)用都發(fā)生在不到三年的時間里：在科學(xué)的歷史時間尺度上，只是一眨眼的功夫。

       在堿基編輯能夠充分發(fā)揮其改善遺傳性疾病患者生活的潛力之前，還有更多的工作要做。雖然這些疾病中的許多被認為是可以通過糾正器官中哪怕是一小部分細胞的潛在變異來治療的，但是將分子機器如堿基編輯器送入人體的細胞中可能是一個挑戰(zhàn)。利用自然界的病毒來傳遞堿基編輯器，而不是傳染感冒的分子，這是已經(jīng)被成功應(yīng)用的幾種有前途的傳播策略之一。繼續(xù)開發(fā)新的分子機器，使所有剩余的方法轉(zhuǎn)換一個堿基對到另一個堿基對，并限度地減少細胞中非目標(biāo)位置的不必要的編輯是非常重要的。與其他科學(xué)家、醫(yī)生、倫理學(xué)家和政府合作，限度地提高基礎(chǔ)編輯技術(shù)得到深思熟慮、安全和道德應(yīng)用的可能性，仍然是一項至關(guān)重要的義務(wù)。

       盡管存在這些挑戰(zhàn)，如果你僅僅在五年前告訴我，全球的研究人員將使用實驗室進化的分子機器，在人類基因組的特定位置高效地將一對堿基對直接轉(zhuǎn)換為另一對堿基對，并且其他結(jié)果很少，我會問你：“你在讀什么科幻小說？”多虧了一群孜孜不倦的學(xué)生，他們有足夠的創(chuàng)造力來工程化我們自身可以設(shè)計的東西，有足夠的勇氣來進化我們自身不能實現(xiàn)的東西，堿基編輯已經(jīng)開始將這種科幻小說式的狂想轉(zhuǎn)變成一個令人興奮的新的現(xiàn)實，在這個現(xiàn)實中，我們給予孩子的最重要的禮物可能不僅僅是30億個DNA字母，還有保護和修復(fù)他們的方法。

       參考資料：

       [1] David R. Liu. (2019). Can we cure genetic diseases by rewriting DNA？Retrieved Apr 29, 2019,

點擊下圖，預(yù)登記觀展