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2019年10月21日，單堿基編輯技術(shù)開(kāi)創(chuàng)者，Broad研究所劉如謙（David R. Liu）教授在Nature雜志發(fā)表題為：Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA 的研究論文。該研究開(kāi)發(fā)了一種全新的精準(zhǔn)基因編輯工具——先導(dǎo)編輯（Prime Editor），無(wú)需依賴DNA模板便可有效實(shí)現(xiàn)所有12種單堿基的自由轉(zhuǎn)換，而且還能有效實(shí)現(xiàn)多堿基的精準(zhǔn)插入與刪除（最多插入44個(gè)堿基，或刪除80個(gè)堿基）。 Nature 雜志評(píng)論這一技術(shù)是“超精確的新型基因編輯工具”， Science 雜志評(píng)論它是“超越CRISPR”的重大突破，哈佛大學(xué)教授，CRISPR先驅(qū)喬治·丘奇（George Church）盛贊這一成果：“朝著正確方向邁出的一大步”。 
先導(dǎo)編輯（Prime Editor），將Cas9酶（藍(lán)色）和逆轉(zhuǎn)錄酶（紅色）結(jié)合成復(fù)合物，在gRNA（綠色）的引導(dǎo)下，將該復(fù)合物帶到DNA雙螺旋（黃色和紫色）的特定位置，并保留在該位置插入新DNA序列。
CRISPR基因編輯技術(shù)是一種在2012年被發(fā)明的極其強(qiáng)大的基因組編輯工具，2013年2月，張鋒等人首次將CRISPR技術(shù)用于人類細(xì)胞的基因編輯，很快取得了一系列輝煌的成果，目前CRISPR基因編輯技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始用于人類遺傳病治療的臨床試驗(yàn)。但是，目前CRISPR基因編輯技術(shù)仍然顯得有些笨拙。CRISPR基因編輯有時(shí)會(huì)改變它不應(yīng)該改變的基因，也就是所謂的脫靶效應(yīng)，此外，CRISPR基因編輯依賴于DNA雙鏈斷裂，從而可能導(dǎo)致基因編輯后的細(xì)胞出現(xiàn)不可預(yù)期的混亂，這些缺陷的存在限制了其在基礎(chǔ)研究和農(nóng)業(yè)中的使用，并在醫(yī)學(xué)上構(gòu)成安全隱患。2016年4月20日，劉如謙等人在 Nature 發(fā)表論文，首次可以通過(guò)可靠、可預(yù)測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)改變活細(xì)胞基因組中的單個(gè)堿基進(jìn)行修改。
2017年10月25日，劉如謙等人進(jìn)一步升級(jí)，開(kāi)發(fā)出了單堿基編輯器（Base Editor），將Cas9和APOBEC（胞嘧啶脫氨酶）整合，能夠在不造成DNA雙鏈斷裂的情況下，將A-T堿基對(duì)轉(zhuǎn)換為G-C堿基對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)基因組點(diǎn)突變的定點(diǎn)矯正修復(fù)。
許多遺傳性疾病是由單個(gè)堿基突變導(dǎo)致的，因此，單堿基編輯器的出現(xiàn)，為治療許多單堿基遺傳病提供了強(qiáng)大的方法，劉如謙也因此被 Nature 評(píng)為“2017年影響世界十大科學(xué)人物”。 不能任意編輯所有堿基，存在脫靶效應(yīng)，這是單堿基編輯技術(shù)面臨的兩大問(wèn)題，為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，許多卓越的科學(xué)家在不懈努力，以期開(kāi)發(fā)出效果更好、脫靶性更低的單堿基編輯系統(tǒng)。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，劉如謙團(tuán)隊(duì)在Cas9酶和gRNA兩方面進(jìn)行了重大改造：一是改造gRNA，在其3’末端增加了一段RNA序列，形成所謂的pegRNA；二是改造Cas9酶，將Cas9酶的變體（H840A突變型，只切斷含PAM的靶點(diǎn)DNA鏈）與逆轉(zhuǎn)錄酶融合，形成融合蛋白復(fù)合體。pegRNA的3’端序列有雙重角色，一段序列作為引物結(jié)合位點(diǎn)（PBS），與斷裂的靶DNA鏈3’末端互補(bǔ)以起始逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程，另一端序列則是逆轉(zhuǎn)錄的模板（RT模板），其上攜帶有目標(biāo)點(diǎn)突變或插入缺失突變以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的基因編輯。
劉如謙團(tuán)隊(duì)對(duì) Prime Editor 在人類和小鼠細(xì)胞中進(jìn)行了175種以上的基因編輯實(shí)驗(yàn)，成功修復(fù)了導(dǎo)致鐮狀細(xì)胞性貧血癥和Tay-Sachs病的基因突變。鐮狀細(xì)胞性貧血癥，是一種常染色體顯性遺傳病，因編碼血紅蛋白的基因中發(fā)生了A到T的單堿基突變，導(dǎo)致血紅蛋白β-肽鏈第6位氨基酸谷氨酸變成纈氨酸，構(gòu)成鐮狀血紅蛋白，取代了正常血紅蛋白。該疾病的純合子很難存活到成年。Tay-Sachs病，是一種常染色體隱性遺傳病，因HEXA基因發(fā)生突變，多出4個(gè)堿基，導(dǎo)致HEXA基因編碼的脂質(zhì)分解酶失活，從而導(dǎo)致神經(jīng)節(jié)苷脂在大腦中聚集至中毒水平，通?；颊咧荒艽婊钪羶扇龤q，該疾病在猶太人中發(fā)病率相對(duì)較高。這兩種遺傳病，使用傳統(tǒng)的基因組編輯系統(tǒng)要么無(wú)法修復(fù)，要么效率低下。而劉如謙團(tuán)隊(duì)使用 Prime Editor 成功修復(fù)了這兩種基因突變，不僅效率大大提高，而且脫靶效應(yīng)更低，劉如謙團(tuán)隊(duì)在論文中表示，該技術(shù)“原則上可以修復(fù)75000種已知致病性人類遺傳變異的89%”。為了促進(jìn)先導(dǎo)編輯（Prime Editor）發(fā)展，進(jìn)一步檢驗(yàn)和改進(jìn)這種新型基因編輯方式，劉如謙團(tuán)隊(duì)已向?qū)W術(shù)界和非盈利組織免費(fèi)公開(kāi)這一系統(tǒng)。據(jù)了解，劉如謙已圍繞這項(xiàng)新堿基編輯工具Prime Editor創(chuàng)建了新公司 Prime Medicine 。這也是劉如謙作為創(chuàng)始人或聯(lián)合創(chuàng)始人的第七家科技公司。之前劉如謙與張鋒等人已聯(lián)合創(chuàng)建了三家基因編輯領(lǐng)域公司：基因編輯醫(yī)療公司Editas Medicine、單堿基編輯公司Beam Therapeutis、基因編輯農(nóng)業(yè)公司Pairwise Plants。
張鋒教授（左）、David Liu教授（中）、J. Keith Joung教授（右） 其中，Editas Medicine已經(jīng)成功上市，Beam Therapeutis也已經(jīng)提交上市申請(qǐng)，Pairwise Plants已獲得數(shù)千萬(wàn)美元融資。 給跪了。。。
https://www./articles/s41586-019-1711-4 本文由BioWorld公眾號(hào)原創(chuàng)
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