自然基因编辑是什么？它究竟牛在哪里？

今日，顶尖学术期刊《自然》在线发表了一篇关于基因编辑的重要论文。来自Broad研究所的CRISPR大牛刘如谦(David Liu)教授团队开发了一种新型的基因编辑技术，有望修复大约89%的已知人类致病变异。这项研究在发表之前，就已经在一些学术会议上得到了很多科学家的关注。正式上线后，更是引起了业内的点赞和热议，被认为是“极为重要”的成果。

▲学术经纬团队提前从《自然》获得了经授权的校对版本(图片来源：参考资料[1])

那么，这项技术究竟牛在哪里?要讲清楚这一点，我们还要先看看传统的基因编辑是怎么做的。

目前，应用最为广泛的基因编辑技术之一，便是CRISPR-Cas9系统。在这套系统里，Cas9蛋白会在目标DNA序列上切出口子，造成双链DNA断裂。随后，再利用同源重组等方法，在DNA修复的过程中对基因组进行编辑。

▲传统的CRISPR-Cas9基因编辑方法示意图(图片来源：J LEVIN W [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)])

这一方法虽然有效，但很粗暴。打个比方，这就好像一页书上有错别字，为了修正书上的错误，要把这整页书给撕下来，再重新粘上一页那样。可以想象，这样的工作谈不上优雅，也容易产生潜在的问题。

过去，包括刘如谦教授课题组在内，一些科学家们开发出了“单碱基编辑系统”。与传统的CRISPR-Cas9系统不同，它将经过修饰的Cas9蛋白与另一种酶直接融合在一起。在目标DNA位点，它不会切开DNA链，而是对单个碱基进行修改，如将A变成G，或是把C变成T。这一方法能够对点突变进行“微调”，不过并不适合大段大段的修改。此外，它只能进行四种修改(比如不能把T变成A)，还存在潜在的脱靶问题。

▲刘如谦(David Liu)教授是基因编辑领域的知名学者(图片来源：ServiceAT [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)])

而在今日的这项研究中，我们见证了一种新型基因编辑技术的诞生。这种技术被称为“先导编辑”(prime editing)，核心之一是一种由Cas9蛋白与逆转录酶(reverse transcriptase)融合而成的特殊蛋白。该技术的另一个关键是一种特殊的gRNA，它被研究人员们称为“pegRNA”，其中pe是“先导编辑”英文单词的两个首字母。

与普通的gRNA不同，这种pegRNA不但能够结合想要进行编辑的特定DNA区域，还自带“修改模板”。Cas9-逆转录酶融合蛋白会在pegRNA的引导下，精准地切开一条DNA链，然后根据“修改模板”，合成含有正确序列的DNA。细胞内的DNA修复机制会自动把这段新合成的序列整合进基因组。

随后，研究人员们故技重施，在另一条DNA链上进行同样的操作。这样一来，两条DNA都能得到正确的编辑。

▲先导编辑技术的示意图(图片来源：Susanna Hamilton, Broad Institute)

“结果就是(给基因组带来)永久的改变，这些改变来源于pegRNA所编码的信息。”刘如谦教授说道。

正是由于这套系统的灵活性，原本不可能实现的单碱基编辑(如将T转变为A)，也成为了可能。与单碱基编辑只能进行4种转换相比，这套先导编辑系统能进行12种单碱基的转化。也就是说，他们可以把任何碱基转化为任何其他碱基，包含了所有的12种可能性。

在多种人类细胞中，研究人员们证实了这一系统的编辑能力。此外，它的编辑潜力在小鼠神经元里也得到了证实。除了对单个碱基进行修改之外，这一系统还能够插入或删除特定的DNA序列。根据论文，研究人员们最多可以插入44个碱基，或是删除80个碱基。

▲这一技术不仅能进行单碱基编辑，还可以插入/删除特定的DNA序列(图片来源：Pixabay)

“通过先导编辑技术，我们能直接修正镰状细胞贫血症的突变(学术经纬注：A突变成了T)，让序列回归正常。我们也能移除戴萨克斯症(Tay Sachs disease)多出的4个碱基。这都不需要完全切开DNA，或添加DNA模板，”刘如谦教授在Broad研究所的新闻稿里说道：“这一系统的美丽之处在于几乎对编辑的序列没有限制。由于添加上的碱基仅由pegRNA来决定，我们能加上与原本序列仅差1个碱基的序列，也可以加上多了几个，或少了几个碱基的序列。我们还可以对这些变化进行排列组合。”

可喜的是，研究人员们还发现，与需要断开双链DNA的传统方式相比，先导编辑系统的脱靶编辑风险更低。

目前，这一系统已向学术界和非营利组织免费公开。

当然，由于这一系统依旧是一类全新的基因组编辑方法，因此还需要进一步的检验和改良，才能用于人类。不过，这一系统展示的潜力，已经让我们看到了一个能够有效治疗罕见遗传病的未来。我们期待这一天的早日到来。

关键词： 自然基因编辑