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(gè)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(yáng)光，吸煙，不健康的飲食，甚至你細胞自發(fā)的錯誤，都會(huì )導致你的基因組發(fā)生改變。DNA中最常見(jiàn)的變化是一個(gè)字母或堿基的簡(jiǎn)單交換，比如C和一個(gè)不同的字母，如T、G或A交換。每一天，你體內的細胞都會(huì )積累數十億個(gè)這樣的單字母交換，這也被稱(chēng)為“點(diǎn)突變”。

       這些點(diǎn)突變大多是無(wú)害的。但時(shí)不時(shí)地，點(diǎn)突變會(huì )破壞細胞的重要功能，或導致細胞以有害的方式產(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(shí)候發(fā)生的，那么結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(huì )成為億萬(wàn)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(diǎn)突變引起的嚴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(gè)字母的改變，理論上其實(shí)可以治愈這種疾病。數以百萬(wàn)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(gè)拷貝都有一個(gè)A到T的點(diǎn)突變。早衰癥患兒出生時(shí)基因組中某個(gè)特定位點(diǎn)有一個(gè)T，而一般人的基因組中是一個(gè)C，這種突變會(huì )帶來(lái)毀滅性的后果，那就是這些出色的、聰明的孩子很快就會(huì )衰老，并在14歲左右去世?？v觀(guān)醫學(xué)史，我們還沒(méi)有一種方法能夠有效地糾正生命系統中的點(diǎn)突變，將導致疾病的T變回C，也許直到今天也是如此。因為我的實(shí)驗室最近成功地開(kāi)發(fā)了這樣一種能力，我們稱(chēng)之為“堿基編輯”。

       我們如何發(fā)展堿基編輯的故事實(shí)際上開(kāi)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(jìn)化出一種防御機制來(lái)對抗病毒感染。這種防御機制現在更廣為人知的名稱(chēng)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，把雙螺旋結構一分為二。如果CRISPR不能區分細菌和病毒DNA，它就不會(huì )是一個(gè)非常有用的防御系統。

       但CRISPR最令人驚異的特點(diǎn)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，當一個(gè)細菌第一次遇到病毒時(shí)，它可以?xún)Υ娌《綝NA的一小段，作為一個(gè)程序，用來(lái)指導CRISPR剪刀在未來(lái)感染期間切斷病毒DNA序列。切割病毒的DNA會(huì )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和張鋒在內的杰出研究人員向我們展示了CRISPR剪刀是如何被編程來(lái)剪切我們選擇的DNA序列，包括人的基因組序列，來(lái)取代細菌選擇的病毒DNA序列。但結果其實(shí)是相似的。在人的基因組中剪切一個(gè)DNA序列也會(huì )擾亂剪切基因的功能，因為這會(huì )造成在剪切位點(diǎn)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用中可能非常有用。但對于大多數引起遺傳性疾病的點(diǎn)突變來(lái)說(shuō)，僅僅切除已經(jīng)變異的基因對病人沒(méi)有好處，因為變異基因的功能需要恢復，而不是進(jìn)一步破壞。因此，切斷這種導致鐮刀型紅血球疾病的已經(jīng)突變的血紅蛋白基因，不會(huì )恢復患者制造健康紅細胞的能力。雖然我們有時(shí)可以在細胞中引入新DNA序列來(lái)取代切割位點(diǎn)周?chē)腄NA序列，但不幸的是，這個(gè)過(guò)程在大多數類(lèi)型的細胞中都不起作用，而且受損的基因結果仍然占主導地位。

       像許多科學(xué)家一樣，我一直夢(mèng)想著(zhù)我們能夠治療甚至治愈人類(lèi)遺傳性疾病的未來(lái)。但是我認為，現在還缺乏方法可以修復引起大多數遺傳病的點(diǎn)突變，這是一個(gè)實(shí)現夢(mèng)想的主要的障礙。

       作為一名化學(xué)家，我開(kāi)始和我的學(xué)生們一起研究直接在單個(gè)DNA堿基上進(jìn)行化學(xué)反應的方法，來(lái)真正修復，而不是破壞，引起遺傳疾病的突變。我們努力的結果就是被稱(chēng)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(méi)有切割DNA，而是直接將一個(gè)堿基轉換成另一個(gè)堿基，而不會(huì )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(gè)DNA堿基的原子結構重新排列成另一個(gè)堿基，從而將一個(gè)DNA堿基改寫(xiě)成另一個(gè)DNA堿基。

       堿基編輯器在自然中并不存在。事實(shí)上，我們設計了第一個(gè)堿基編輯器，如圖所示，三個(gè)不同的蛋白質(zhì)，它們甚至不是來(lái)自同一個(gè)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(shí)保留其能力，從而可以按照編程好的方式搜索和結合目標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(gè)紅色的蛋白質(zhì)，它對DNA的堿基C進(jìn)行化學(xué)反應，將其轉化為一個(gè)像T一樣的堿基。最終的結果是一個(gè)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轉化為T(mén)。

       但即使在這一點(diǎn)上，我們的工作也只完成了一半。因為為了在細胞中保持穩定，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(mén)就會(huì )產(chǎn)生錯配——細胞必須通過(guò)決定取代哪條DNA鏈來(lái)解決兩條DNA鏈之間的分歧。我們意識到，我們可以進(jìn)一步設計這個(gè)由三部分組成的蛋白質(zhì)，將未編輯的鏈標記為要被修飾的鏈。這個(gè)小缺口使細胞在重新構建有缺口的鏈時(shí)將未編輯的G替換為A，從而完成了原來(lái)的C-G堿基對到穩定的T-A堿基對的轉換。

       經(jīng)過(guò)實(shí)驗室原博士后Alexis Komor幾年的努力工作，我們成功地開(kāi)發(fā)出了第一類(lèi)堿基編輯器，它可以在我們選擇的目標位置上將C堿基轉換為T(mén)堿基，將G堿基轉換為A堿基。在35000多個(gè)已知的與疾病相關(guān)的點(diǎn)突變中，該首個(gè)堿基編輯器可以逆轉的兩種突變加起來(lái)大約占14%或5000個(gè)致病點(diǎn)突變。但是要糾正比例的致病點(diǎn)突變，就需要開(kāi)發(fā)第二類(lèi)堿基編輯器，一種可以將A轉換為G或T轉換為C的編輯器。在實(shí)驗室原博士后Nicole Gaudelli的帶領(lǐng)下，我們著(zhù)手開(kāi)發(fā)第二類(lèi)基本編輯器，理論上，它可以糾正近一半的致病點(diǎn)突變，包括導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(gè)難以置信的問(wèn)題，也就是說(shuō)，沒(méi)有已知的蛋白質(zhì)可以在DNA中將A轉化為G或T轉化為C。面對這樣一個(gè)嚴重的障礙，大多數學(xué)生可能會(huì )尋找另一個(gè)項目，或者另一個(gè)研究顧問(wèn)。（笑聲）但是Nicole同意繼續執行一個(gè)當時(shí)看起來(lái)野心勃勃的計劃。鑒于缺乏一種自然產(chǎn)生的蛋白質(zhì)來(lái)進(jìn)行必要的化學(xué)反應，我們決定在實(shí)驗室中進(jìn)化出我們自己的蛋白質(zhì)，從一種在RNA上進(jìn)行相關(guān)化學(xué)反應的蛋白質(zhì)開(kāi)始，將A轉化為一種類(lèi)似G的堿基。我們建立了一個(gè)達爾文式的適者生存選擇系統，該系統探索了數千萬(wàn)種蛋白質(zhì)變異，只允許那些能夠產(chǎn)生必要化學(xué)反應的罕見(jiàn)變異存活下來(lái)。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轉化為類(lèi)似于G的堿基。當我們把這種蛋白質(zhì)連接到失效的CRISPR剪刀上時(shí)（如藍色所示），我們制作了第二種堿基編輯器，它可以將A轉化為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(jìn)行切割時(shí)，用C取代未經(jīng)編輯的T，從而完成了A-T堿基對到G-C堿基對的轉化。

       我們在三年前和一年半前開(kāi)發(fā)了這兩類(lèi)堿基編輯器。但即使在這么短的時(shí)間內，堿基編輯已經(jīng)被生物醫學(xué)研究社區廣泛使用。應全球1000多名研究人員的要求，堿基編輯已經(jīng)被應用了6000多次。通過(guò)在細菌到植物到老鼠再到靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)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(jìn)入人類(lèi)臨床試驗來(lái)說(shuō)還為時(shí)尚早，但是科學(xué)家們已經(jīng)成功地實(shí)現了一個(gè)關(guān)鍵的里程碑，即通過(guò)在動(dòng)物身上使用基因編輯器來(lái)糾正引起人類(lèi)遺傳疾病的點(diǎn)突變。例如，我實(shí)驗室另外兩名學(xué)生Luke Koblan和Jon Levy領(lǐng)導的一個(gè)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，將導致疾病的T堿基變回C堿基，并在DNA、RNA和蛋白質(zhì)水平上逆轉其后果。

       基因編輯器也被用在動(dòng)物身上，通過(guò)直接糾正引起或促成該疾病的點(diǎn)突變，來(lái)逆轉酪氨酸血癥、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(lái)引入單個(gè)DNA字母的變化，這可能會(huì )培育出更好的作物。

       生物學(xué)家已經(jīng)使用基本編輯器來(lái)探索單個(gè)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(lái)治療人類(lèi)遺傳疾病和改善農業(yè)。所有這些基礎編輯的應用都發(fā)生在不到三年的時(shí)間里：在科學(xué)的歷史時(shí)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(guò)糾正器官中哪怕是一小部分細胞的潛在變異來(lái)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(gè)挑戰。利用自然界的病毒來(lái)傳遞堿基編輯器，而不是傳染感冒的分子，這是已經(jīng)被成功應用的幾種有前途的傳播策略之一。繼續開(kāi)發(fā)新的分子機器，使所有剩余的方法轉換一個(gè)堿基對到另一個(gè)堿基對，并限度地減少細胞中非目標位置的不必要的編輯是非常重要的。與其他科學(xué)家、醫生、倫理學(xué)家和政府合作，限度地提高基礎編輯技術(shù)得到深思熟慮、安全和道德應用的可能性，仍然是一項至關(guān)重要的義務(wù)。

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

       參考資料：

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

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