学术经纬报道
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
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
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
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。
