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1、导言

自5年前开始CRISPR热潮以来，科学家们一直在为这个功能强大的工具创造出更多功能更强大的变体，极大的简化了DNA的编辑工作。25日Science和Nature杂志上发表的两项研究进一步扩大了CRISPR的影响力，介绍了一种巧妙的修改被称为基础遗传物质的单碱基的方法。其中一项研究扩展了编辑DNA的策略，而另一项研究则通过基因编辑RNA来开拓新局面。

Cas9系统在实验室中非常受欢迎，但可能在定点突变方面无效

两者都为遗传研究和治愈疾病开辟了新的途径。哈佛大学的化学家刘伟（David Liu）在去年在Nature的一篇论文中率先开创了DNA基因编辑，并合作撰写了最新的Nature文章，他说：不应该将base编辑视为比CRISPR更好 - 他们只是不同。

靶位点切割双链DNA

从原始细菌免疫系统改良的CRISPR通过首先在基因组的靶位点切割双链DNA来进行工作。相比之下，base编辑不会切断双螺旋，而是使用酶来精确地重新排列构成DNA或RNA的四个碱基之一中的一些原子，将单个碱基转化为不同的碱基，而不改变其周围的碱基。这种能力大大增加了改变遗传物质的选择。这是一个非常有价值的补充，马萨诸塞州伍斯特大学医学院的CRISPR研究员Erik Sontheimer说。

2、传统编辑技术的缺陷

CRISPR-Cas9的基因编辑技术，可以让科研人员以前所未有的轻松方式修改目的基因。但是，使用该工具来消除基因的功能很容易，但是却难以修正由给定基因中的单个DNA碱基变化引起的点突变。哈佛大学马萨诸塞州剑桥大学的化学生物学家刘伟（David Liu）说：事实证明，大多数与疾病有关的人类遗传变异属于基因的点突变。而且单基因突变的含量是目前基因编辑技术效率无法应对的。

常规CRISPR使用与称为核酸酶的酶（最常见的是Cas9）偶联的指导RNA（gRNA），其一起连接到特定的DNA碱基区域；然后核酸酶剪切双螺旋。细胞修复机制尝试重新加入切割的DNA末端，但偶尔会插入或删除一些碱基，这将使DNA代码变成乱码，并且可能误敲除靶基因。核酸的基因编辑非常适合灭活基因，美国马萨诸塞州剑桥大学研究所的研究员冯章研究员说。

然而，CRISPR的，精确编辑效率较低。为了修复点突变，CRISPR-Cas9系统还必须引入具有正确碱基的供体DNA链，然后依靠称为同源性定向修复（HDR）的第二种细胞机制。但是除非细胞分裂，否则HDR的作用很差，这意味着这种策略在不再复制自身的大脑和肌肉细胞中不起作用。即使分裂细胞，供体DNA很少插入切割点。

3、DNA编辑新策略

麻省理工学院广泛研究所和马萨诸塞州剑桥的哈佛分校的刘伟（David Liu）团队报告了一种精确的单基因替换技术。这项技术有望为基因治疗开启全新的大门，同时为疾病研究提供了更精密的研究工具。而且传统CRISPR基因编辑系统需要经过复杂的序列设计。这一进步促进了这种编辑的成功，可以提高科学家建模人类疾病的能力，并为他们提供治疗方法。

传统CRISPR技术其实并不适合用于进行单碱基突变造成的疾病的治疗；这就好比杀鸡用牛刀，对于精密化学手术，传统CRISPR技术只会带来更多的风险而不是进行治疗。正是出于这个原因，David Liu教授的团队才会进行单基因定点转换的研究。

人类胚胎肾细胞

研究人员使用人类胚胎肾细胞，对其进行了单个碱基对的精密替换实验。实验结果表明新型技术可以在不对基因进行切割的情况下精确的替换。替换的效率是50%而且没有检测出任何的副产物。相比之下，使用更传统的CRISPR方法，插入含有所需碱基变化的DNA链，固定相同的单碱基突变的效率小于5％，并且经常引起不期望的大块DNA的插入或缺失。

其实早在去年，该研究组已经推出了一个base编辑技术；而且这项技术也被世界各地的研究者应用在了真菌、植物、鱼和小鼠等模式动物的基因编辑中。但它有个明显的缺陷，只能实现两种化学转换：将胞嘧啶（C）转换成胸腺嘧啶（T）或鸟嘌呤（G）转换为腺嘌呤（A）（即C→T，G→A；）。而在今年的10月25日Nature中他们对该技术进行了改良扩大了变化范围（将T转换为C或A转换为G）。这样就增加了该技术的应用范围。

base编辑技术原理图

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许多人类疾病是由单一基因的点突变引起的。CRISPR难以有效、清晰地纠正这些所谓的点突变，而base编辑可以提供更有效的方法。刘伟（David Liu）初次报道后，中国的一个小组使用DNA基因编辑，试图纠正遗传性血液病症患者的克隆的人类胚胎的致病突变。

4、RNA定点编辑

2016年正是受到单碱基转换的影响，张锋实验室开始在RNA编辑中使用类似技术。因为目前发现一种可以将A转换位肌苷（I）的酶，而在RNA翻译过程中I会被读为G（也就实现了RNA水平的A→G）。这允许临时校正致病突变，而不会永久性地改变基因组 - 当涉及到基因固定治疗剂时，尽管治疗需要重复施用，但这也是一种可能的更安全的选择。这意味着研究人员可以改变治疗策略，因为他们能够更好地了解这种疾病。

5、技术简介

张锋团队的RNA编辑基于一种天然存在的酶，它将A中的原子重新排列成与I相似的原子。研究人员将酶融合到CRISPR-Cas13（RNA靶向酶），而不是通常的DNA结合酶Cas9。在序列特异性引导RNA分子的帮助下，这项技术的成功纠正效率为23-35％，发生非靶向活动的变异发生率较低。

刘团队是第一个采用碱基转换的团队，2016年的研究中他们使用了一种天然存在的酶，并将其连接到一个dead Cas9上，这使得它们可以将C转化为T。

将gRNA与死的Cas9（dCas9）融合，不能切割整个双螺旋，但仍然能够定位到相应的位置。研究人员扼制了这一复合物APOBEC1，引发了一系列化学反应，这些化学反应最终将C改变为T。将dCas9进一步修饰为未编辑的链，其利用细胞的DNA修复机制转化，将最初与C配对的G转化成与新T配对的A。

技术简图

但是DNA中相反转换的等效酶，自然界中没有发现。所以他们开始使用类似于张峰组使用的RNA编辑酶的策略，做出了今年的研究成果。

可能是出于对对方的尊重，所以两篇重量级的文章都在10月25日共同发表，一个在Nature，一个在Science。

6、相关评论

首尔国立大学分子遗传学家Jin-Soo Kim说：这是基因组编辑领域的重大突破。

A到G，G到A，C到T和T到C的四种类型的能力对于精确的治疗将是非常有价值的，来自中国科学院遗传与发育生物学研究所的植物遗传学家Caixia Gao说。

盐湖城犹他大学的基因工程研究员达纳·卡罗尔（Dana Carroll）表示：这代表了英勇的努力；他指出定向转化方法是黑暗中的一个明灯。卡罗尔说：我不会有胆量去尝试他们所做的研究的。

AstraZeneca在瑞典哥德堡的基因编辑研究人员Marcello Maresca说，在药物发现和基于DNA的数据存储方面该技术也具有应用价值。

延保是延长保修的简称，是指消费者所购买的产品，在制造商提供的保质期和服务范围之外，由延保提供商提供延长保修时间、或者延展产品服务范围、或者衍生服务的有偿服务。

任何其他base编辑技术的发展都需要克服自然界不存在这类酶的障碍，即使是RNA转化。但这种障碍并没有阻止刘先生。我们会继续努力，直到顺利开发出所有可能的base编辑。他说。

加利福尼亚州斯坦福大学生物工程师史丹利·齐，渴望尝试刘氏改良的Cas9。他说，该方法可能比旧的CRISPR方法简单得多，旧的方法需要插入易于降解的DNA模板，有时甚至是对细胞有毒性的。这项技术避免了这个重大问题。他说。这真的扩大了CRISPR的应用范围。

虽然RNA的短暂性质使得基础编辑对于许多疗法来说吸引力不大，但Sontheimer也看到了一个提升空间。在某些方面，使用RNA更安全，他说。研究人员担心基因组编辑可能会意外错误的影响基因组的其他部分 - 这是DNA基因编辑器永久性的变化。Sontheimer说：如果有一定程度的针对性，您不会永久地将这些错误刻蚀到基因组中。

最后张峰和刘伟强调，基础编辑治疗进入临床试验之前可能需要几年时间，直到能明确该策略是否能提供优于现有基因治疗方法的优势。刘伟说：base编辑将是更好的人类遗传疾病治疗方法。

文章来源|易科学（easysciencenews）