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。陽光，吸煙，不健康的飲食，甚至你細(xì)胞自發(fā)的錯(cuò)誤，都會(huì)導(dǎo)致你的基因組發(fā)生改變。DNA中最常見的變化是一個(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(nèi)的細(xì)胞都會(huì)積累數(shù)十億個(gè)這樣的單字母交換，這也被稱為“點(diǎn)突變”。

       這些點(diǎn)突變大多是無害的。但時(shí)不時(shí)地，點(diǎn)突變會(huì)破壞細(xì)胞的重要功能，或?qū)е录?xì)胞以有害的方式產(chǎn)生錯(cuò)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(jié)果就是你的許多或者所有的細(xì)胞都包含這種有害的突變。然后你就會(huì)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(diǎn)突變引起的嚴(yán)重遺傳疾病尤其令人沮喪，因?yàn)槲覀兂３Ｖ酪鸺膊〉拇_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(shù)以百萬計(jì)的人患有鐮刀型紅血球疾病，只因?yàn)樗麄兊难t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。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(diǎn)突變，將導(dǎo)致疾病的T變回C，也許直到今天也是如此。因?yàn)槲业膶?shí)驗(yàn)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(shí)際上開始于30億年前。我們認(rèn)為細(xì)菌是感染源，但細(xì)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(xì)菌進(jìn)化出一種防御機(jī)制來對(duì)抗病毒感染。這種防御機(jī)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(xì)菌和病毒DNA，它就不會(huì)是一個(gè)非常有用的防御系統(tǒng)。

       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(dāng)一個(gè)細(xì)菌第一次遇到病毒時(shí)，它可以儲(chǔ)存病毒DNA的一小段，作為一個(gè)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(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(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(xì)菌選擇的病毒DNA序列。但結(jié)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?yàn)檫@會(huì)造成在剪切位點(diǎn)插入和刪除隨機(jī)的DNA字母混合物。

       單純對(duì)基因的干擾在某些應(yīng)用中可能非常有用。但對(duì)于大多數(shù)引起遺傳性疾病的點(diǎn)突變來說，僅僅切除已經(jīng)變異的基因?qū)Σ∪藳]有好處，因?yàn)樽儺惢虻墓δ苄枰謴?fù)，而不是進(jìn)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(huì)恢復(fù)患者制造健康紅細(xì)胞的能力。雖然我們有時(shí)可以在細(xì)胞中引入新DNA序列來取代切割位點(diǎn)周圍的DNA序列，但不幸的是，這個(gè)過程在大多數(shù)類型的細(xì)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(mèng)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(rèn)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(diǎn)突變，這是一個(gè)實(shí)現(xiàn)夢(mèng)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(gè)DNA堿基上進(jìn)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(jī)器。堿基編輯器使用CRISPR剪刀的可編程搜索機(jī)制，但他們沒有切割DNA，而是直接將一個(gè)堿基轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)重新排列成另一個(gè)堿基，從而將一個(gè)DNA堿基改寫成另一個(gè)DNA堿基。

       堿基編輯器在自然中并不存在。事實(shí)上，我們?cè)O(shè)計(jì)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(jié)合目標(biāo)DNA序列。對(duì)于那些失去功能的CRISPR剪刀，如藍(lán)色所示，我們附加了第二個(gè)紅色的蛋白質(zhì)，它對(duì)DNA的堿基C進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)像T一樣的堿基。最終的結(jié)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?cè)诨蚪M的特定位置將C轉(zhuǎn)化為T。

       但即使在這一點(diǎn)上，我們的工作也只完成了一半。因?yàn)闉榱嗽诩?xì)胞中保持穩(wěn)定，DNA雙螺旋的兩條鏈必須形成堿基對(duì)。而且因?yàn)镃只與G配對(duì)，T只與A配對(duì)，僅僅在一條DNA鏈上將C變?yōu)門就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)配——細(xì)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(shí)到，我們可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)這個(gè)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(gè)小缺口使細(xì)胞在重新構(gòu)建有缺口的鏈時(shí)將未編輯的G替換為A，從而完成了原來的C-G堿基對(duì)到穩(wěn)定的T-A堿基對(duì)的轉(zhuǎn)換。

       經(jīng)過實(shí)驗(yàn)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(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(zhuǎn)的兩種突變加起來大約占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(shí)驗(yàn)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(diǎn)突變，包括導(dǎo)致快速老化疾病早衰癥的突變。

       我們意識(shí)到，我們可以再次借鑒CRISPR剪刀的目標(biāo)機(jī)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(duì)這樣一個(gè)嚴(yán)重的障礙，大多數(shù)學(xué)生可能會(huì)尋找另一個(gè)項(xiàng)目，或者另一個(gè)研究顧問。（笑聲）但是Nicole同意繼續(xù)執(zhí)行一個(gè)當(dāng)時(shí)看起來野心勃勃的計(jì)劃。鑒于缺乏一種自然產(chǎn)生的蛋白質(zhì)來進(jìn)行必要的化學(xué)反應(yīng)，我們決定在實(shí)驗(yàn)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(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(gè)達(dá)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(shí)（如藍(lán)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?cè)诘谝环N堿基編輯器中使用的相同的鏈切取策略，在細(xì)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(duì)到G-C堿基對(duì)的轉(zhuǎn)化。

       我們?cè)谌昵昂鸵荒臧肭伴_發(fā)了這兩類堿基編輯器。但即使在這么短的時(shí)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(xì)菌到植物到老鼠再到靈長(zhǎng)類動(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(duì)于進(jìn)入人類臨床試驗(yàn)來說還為時(shí)尚早，但是科學(xué)家們已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵的里程碑，即通過在動(dòng)物身上使用基因編輯器來糾正引起人類遺傳疾病的點(diǎn)突變。例如，我實(shí)驗(yàn)室另外兩名學(xué)生Luke Koblan和Jon Levy領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)科學(xué)家合作團(tuán)隊(duì)，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(dòng)物身上，通過直接糾正引起或促成該疾病的點(diǎn)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(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(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(rèn)為是可以通過糾正器官中哪怕是一小部分細(xì)胞的潛在變異來治療的，但是將分子機(jī)器如堿基編輯器送入人體的細(xì)胞中可能是一個(gè)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(jī)器，使所有剩余的方法轉(zhuǎn)換一個(gè)堿基對(duì)到另一個(gè)堿基對(duì)，并限度地減少細(xì)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)化的分子機(jī)器，在人類基因組的特定位置高效地將一對(duì)堿基對(duì)直接轉(zhuǎn)換為另一對(duì)堿基對(duì)，并且其他結(jié)果很少，我會(huì)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(jì)的東西，有足夠的勇氣來進(jìn)化我們自身不能實(shí)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(gè)令人興奮的新的現(xiàn)實(shí)，在這個(gè)現(xiàn)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(hù)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,

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