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刘如谦放大招:超越CRISPR,实现碱基任意转换与增删,可修正89%的人类遗传病

阅读量：3676699 2019-10-22

本文转载自“BioWorld”。

2019年10月21日，单碱基编辑技术开创者，Broad研究所刘如谦（David R. Liu）教授在Nature杂志发表题为：Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA 的研究论文。
该研究开发了一种全新的精准基因编辑工具——先导编辑（Prime Editor），无需依赖DNA模板便可有效实现所有12种单碱基的自由转换，而且还能有效实现多碱基的精准插入与删除（最多插入44个碱基，或删除80个碱基）。
Nature 杂志评论这一技术是“超精确的新型基因编辑工具”， Science 杂志评论它是“超越CRISPR”的重大突破，哈佛大学教授，CRISPR先驱乔治·丘奇（George Church）盛赞这一成果：“朝着正确方向迈出的一大步”。

先导编辑（Prime Editor），将Cas9酶（蓝色）和逆转录酶（红色）结合成复合物，在gRNA（绿色）的引导下，将该复合物带到DNA双螺旋（黄色和紫色）的特定位置，并保留在该位置插入新DNA序列。

CRISPR基因编辑技术是一种在2012年被发明的极其强大的基因组编辑工具，2013年2月，张锋等人首次将CRISPR技术用于人类细胞的基因编辑，很快取得了一系列辉煌的成果，目前CRISPR基因编辑技术已经开始用于人类遗传病治疗的临床试验。但是，目前CRISPR基因编辑技术仍然显得有些笨拙。
CRISPR基因编辑有时会改变它不应该改变的基因，也就是所谓的脱靶效应，此外，CRISPR基因编辑依赖于DNA双链断裂，从而可能导致基因编辑后的细胞出现不可预期的混乱，这些缺陷的存在限制了其在基础研究和农业中的使用，并在医学上构成安全隐患。
2016年4月20日，刘如谦等人在 Nature 发表论文，首次可以通过可靠、可预测的方法，实现对改变活细胞基因组中的单个碱基进行修改。

2017年10月25日，刘如谦等人进一步升级，开发出了单碱基编辑器（Base Editor），将Cas9和APOBEC（胞嘧啶脱氨酶）整合，能够在不造成DNA双链断裂的情况下，将A-T碱基对转换为G-C碱基对，实现对基因组点突变的定点矫正修复。

许多遗传性疾病是由单个碱基突变导致的，因此，单碱基编辑器的出现，为治疗许多单碱基遗传病提供了强大的方法，刘如谦也因此被 Nature 评为“2017年影响世界十大科学人物”。
但是，单碱基编辑器有局限性，并不能任意编辑所有碱基，而且，2019年3月1日，中国科学家杨辉、高彩霞各自在 Science 发表研究论文，证实单碱基编辑器存在严重的意料之外的脱靶效应，这也为原本前景乐观的单碱基编辑技术蒙上了一层阴影。
不能任意编辑所有碱基，存在脱靶效应，这是单碱基编辑技术面临的两大问题，为了解决这两个问题，许多卓越的科学家在不懈努力，以期开发出效果更好、脱靶性更低的单碱基编辑系统。
为了解决这两个问题，刘如谦团队在Cas9酶和gRNA两方面进行了重大改造：
一是改造gRNA，在其3’末端增加了一段RNA序列，形成所谓的pegRNA；
二是改造Cas9酶，将Cas9酶的变体（H840A突变型，只切断含PAM的靶点DNA链）与逆转录酶融合，形成融合蛋白复合体。
pegRNA的3’端序列有双重角色，一段序列作为引物结合位点（PBS），与断裂的靶DNA链3’末端互补以起始逆转录过程，另一端序列则是逆转录的模板（RT模板），其上携带有目标点突变或插入缺失突变以实现精准的基因编辑。

刘如谦团队对 Prime Editor 在人类和小鼠细胞中进行了175种以上的基因编辑实验，成功修复了导致镰状细胞性贫血症和Tay-Sachs病的基因突变。
镰状细胞性贫血症，是一种常染色体显性遗传病，因编码血红蛋白的基因中发生了A到T的单碱基突变，导致血红蛋白β-肽链第6位氨基酸谷氨酸变成缬氨酸，构成镰状血红蛋白，取代了正常血红蛋白。该疾病的纯合子很难存活到成年。
Tay-Sachs病，是一种常染色体隐性遗传病，因HEXA基因发生突变，多出4个碱基，导致HEXA基因编码的脂质分解酶失活，从而导致神经节苷脂在大脑中聚集至中毒水平，通常患者只能存活至两三岁，该疾病在犹太人中发病率相对较高。
这两种遗传病，使用传统的基因组编辑系统要么无法修复，要么效率低下。
而刘如谦团队使用 Prime Editor 成功修复了这两种基因突变，不仅效率大大提高，而且脱靶效应更低，刘如谦团队在论文中表示，该技术“原则上可以修复75000种已知致病性人类遗传变异的89%”。
为了促进先导编辑（Prime Editor）发展，进一步检验和改进这种新型基因编辑方式，刘如谦团队已向学术界和非盈利组织免费公开这一系统。
据了解，刘如谦已围绕这项新碱基编辑工具Prime Editor创建了新公司 Prime Medicine 。这也是刘如谦作为创始人或联合创始人的第七家科技公司。
之前刘如谦与张锋等人已联合创建了三家基因编辑领域公司：基因编辑医疗公司Editas Medicine、单碱基编辑公司Beam Therapeutis、基因编辑农业公司Pairwise Plants。