精品TED解读-刘如谦带你了解单碱基编辑

▉ 前言

作为科研工作者，小编对于科研英语一直很热爱，最近无意间看到TED的一篇刘如谦的精彩演讲《Can we cure genetic diseases by rewriting DNA？》。一口纯正的发音以及一气呵成、zero卡顿的演讲让小编有种想复述出来的冲动。

在一个关于科学发现的故事中，化学生物学家David R. Liu在本篇演讲中分享了一项重要突破:他的lab开发了可以重写DNA的碱基编辑器。基因组编辑中的这一关键步骤将CRISPR的前景提升到一个新的水平: 如果CRISPR蛋白是把分子剪刀用来切断特定的DNA序列，那么碱基编辑器就是铅笔，能够直接将一个DNA字母改写成另一个。那让我们静静聆听此篇演讲，了解更多关于这些分子机器是如何工作的，以及它们治疗甚至治愈遗传疾病的潜力。同时学习一些英语的发音和专业词汇。

▉ 基因突变的多样性与危害性

父母给予我们最重要的礼物是两组包含30亿个碱基的DNA，它们构成了你的基因组。但就像任何精致复杂的东西一样，这个礼物非常脆弱。日光、吸烟、不健康饮食，甚至是细胞自身出现的错误，都能改变你的基因组。最常见的DNA突变，就是一个碱基，比如C（胞嘧啶），替换成了别的碱基，如T(胸腺嘧啶)、G(鸟嘌呤)或者A(腺嘌呤)。

每一天，你身体里的细胞会累计发生数亿次的单碱基改变，或者说“点突变”(point mutation)。大部分“点突变”是无害的。但有的也会干扰细胞的某些重要功能，或者导致细胞出现异常行为。如果这种变异是由父母遗传而来的，或者在你生命早期便出现，那么很可能你的大部分甚至全部细胞带有这种有害变异。而你可能就会像其他成千上万人一样患上遗传性疾病，比如镰刀型红血球病(sickle cell anemia)、早衰症(progeria)、肌肉萎缩症(muscular dystrophy)，家族黑蒙性痴呆症(Tay-Sachs disease)等等。

这些由“点突变”引起的不幸的遗传性疾病使我们尤为沮丧，因为我们往往已经知道具体是哪个碱基发生了突变，从而导致的疾病。所以理论上，我们是可以治愈它的。数百万人被镰刀型红血球病折磨，这是因为他们的血红蛋白拷贝基因中都有一个A点突变为T。而患有早衰症的孩子只不过生来就在基因组中的某个位置为T，而正常的基因为C。令人悲伤的是，这些聪明美好的孩子衰老得非常快，通常活不过14岁。纵观整个医药史，我们没有找到过有效的方法去纠正生命系统中的“点突变”，使引起疾病的T变回正常的C。不过现在不一样了。

▉ 基因编辑技术

因为我的实验室最近成功发明了一种技术，叫做碱基编辑。关于我们如何开发碱基编辑这项技术，可以追溯到30亿年前。我们通常认为细菌是种感染源，但其实细菌本身也很容易被感染，特别是被病毒感染。因此大约30亿年前，细菌进化出一种防御机制来抵抗病毒感染。这就是我们现在熟知的CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic）。

而CRISPR的核心武器，正是这段紫色的蛋白质。它扮演着分子剪刀的角色，剪断DNA链，将双螺旋结构变成2条单螺旋链。如果CRISPR分不清细菌和病毒的DNA，那么还算不上一个好的防御系统。但CRISPR最神奇之处就在于，这个剪刀可以被编辑为专门寻找、锁定和剪断特定的DNA片段。

所以当细菌首次遇到某个病毒时，它会存储一小段病毒的DNA，以此引导CRISPR剪刀在将来发生感染时剪断病毒的DNA链。剪断病毒的DNA能够扰乱该病毒基因的表达功能，从而中断病毒的生命。许多优秀的研究者，比如Emmanuelle Charpentier、George Church、Jennifer Doudna、Feng Zhang 等，6年前证实了CRISPR剪刀可以通过编辑，剪断我们自己选择的DNA片段，即包括人类的基因片段，而不仅是细菌选取的病毒DNA片段，且产生的效果是相似的。剪断人类基因中的DNA片段显然也会导致被剪位置上增添或删除随机的DNA碱基组合，从而影响被剪基因的功能，在某些情况下，破坏基因是非常有用的。

但对于引起遗传病的大部分“点突变”而言，仅仅剪断已经发生变异的基因，对病人而言并没有意义，因为这些变异基因的功能需要被重置，而不是进一步破坏。因此，把那些引起镰刀型贫血的变异血红蛋白基因剪断，并不能恢复病人的造血功能。

▉ 重写DNA的碱基编辑器

有时候我们可以向细胞引入一些新的DNA片段，来替代被剪断区域附近的DNA链，但可惜的是这一过程对大部分细胞不起作用，突变基因的影响仍占主导地位。像许多科学家一样，我梦想着有一天，我们可以治疗甚至治愈人类遗传性疾病。而我们现在面临的首要问题，就是缺少修复“点突变”这一“主犯”的手段。

作为一名化学家，我跟我的学生们一同研究将化学反应应用于单个DNA碱基上的方法，从而真正修复，而不仅仅是中断引起遗传病的突变。我们的研究成果就是叫做“碱基编辑器”的分子机器。“碱基编辑器”运用了是类似CRISPR剪刀的可编搜索机制。但与剪断DNA不同的是，它可在不破坏其他部分基因的基础上，直接将一个碱基替换成另一个。所以，如果将CRISPR蛋白质比作分子剪刀的话，那么“碱基编辑器”就像铅笔，它能通过重新排列DNA碱基上的原子使其直接变成另一种碱基。“碱基编辑器”在大自然中并不存在。实际上，我们制造的第一个“碱基编辑器”，如图所示，是由3种独立的蛋白质组成，而它们甚至不是来自同一个生物体。

我们首先限制了CRISPR剪刀剪断DNA的功能，然后通过编辑保持其搜索和锁定目标DNA片段的能力。在功能被限制的CRISPR剪刀上（如图蓝色部分），我们加上了第2种蛋白质（如图红色部分），它会与DNA碱基C发生化学反应，并将其转换成与T功能类似的碱基。第三步，我们将图中紫色的蛋白质加在前2种蛋白质上，来保护被编辑过的碱基不被细胞移除。最终我们制造出一个由3部分组成的蛋白质，这也是我们史上首次将基因组特定位置的碱基C转换为T。但做到这一步，我们的工作也仅仅完成了一半。因为为了保持细胞的稳定，DNA双螺旋结构中的两条链必须形成碱基对。而又因C只能跟G配对，T只能跟A配对，所以如果只将一条链上的碱基C变成T，会造成DNA双螺旋的不匹配。为了解决这个问题，细胞需要决定替换其中一条链。我们意识到可以改进这个由3部分组成的蛋白质，即，通过制造小切口标记未被编辑的那条链。这个小切口诱骗细胞用A取代未被编辑的G，使之重新生成了完整的单链，从而实现了C-G碱基对到稳定的T-A碱基对的转变。

在实验室前博士后Alexis Komo带领下，我们经过几年努力，成功地开发了第一代碱基编辑器，将指定位置的C都转变为T，G都转变为A。在3.5万多个已知的与疾病有关的“点突变”中，第一代“碱基编辑器”可以逆转的两类突变占总致病“点突变”的14%，即5000种左右。

但是，要纠正更大部分的致病“点突变”，我们还需要开发第二代“碱基编辑器”，一个可以将A都转变为G，或T都转变为C的工具。在实验室前博士后Nicole Gaudelli的带领下，我们着手开发了这个第二代碱基编辑器，从理论上讲，它可以纠正近一半的致病“点突变”，包括导致早衰症的突变。

我们意识到我们可以再次借助CRISPR剪刀的靶向机制，将新一代碱基编辑器带到基因组的指定位置。但我们很快遇到了一个棘手的难题，具体来说，在DNA中没有已知的蛋白质可以将A转化成G或者T转化成C。面对如此严重的困难险阻，很多学生可能会寻找其他方案， 但Nicole同意继续实施一项当时看来雄心勃勃的计划。鉴于缺乏一种天然的蛋白质来进行必要的化学反应，我们决定从一种在RNA上进行相关化学反应的蛋白质开始，在实验室里改良出新的蛋白质来把A转化成一个与G功能一致的碱基。我们建立了“达尔文适者生存筛选体系”（Darwinian survival-of-the-fittest selection system），探索了数千万种蛋白质变体，只允许极少数能够进行必要化学反应的存活下来。我们最终得到了如图显示的蛋白质，这是首个能把DNA中的A转化成类似G的蛋白质。

当我们把这个蛋白质连接到受限的CRISPR剪刀（图中蓝色部分）上，第二代“碱基编辑器”就诞生了，它可以把A都转变为G。然后使用与第一代“碱基编辑器”同样的链切割策略，诱骗细胞用C取代未被编辑的T，当它重新生成单链后，就完成了A-T碱基对到G-C碱基对的转变。

我们开发的这两代“碱基编辑器”仅仅诞生于3年前和1年半前而已。但在这短短的时间里，“碱基编辑器”已经被生物医学团队广泛使用。“碱基编辑器”应全球超过1000位研究者的请求，已经被送往全球各地多达6千次。目前发表的相关科研论文多达百篇，使用了“碱基编辑器”的生命体包括从细菌到植物，从老鼠到灵长类动物等一系列生物。虽然碱基编辑器还太新，尚未进入人体临床试验，科学家们却已经突破性地在实验动物上成功使用“碱基编辑器”纠正导致人类遗传性疾病的点突变。比如，由Luke Koblan和Jon Levy领导的一个合作小组，外加我们实验室的两个学生，最近使用了一种病毒将第二代“碱基编辑器”递送至患有早衰症的老鼠体内，把致病的T变回C，并在DNA、RNA和蛋白质层面上逆转了其导致的后果。

▉ DNA的碱基编辑器大有可为

“碱基编辑器”同样在动物身上逆转了酪氨酸血症（tyrosinemia），地中海贫血(beta thalassemia)，肌营养不良，苯丙酮尿症(phenylketonuria)，某种先天性耳聋(congenital deafness)和某种类型的心血管疾病——在这些案例中，也都是通过直接纠正导致或者参与致病的“点突变”达到治疗效果。在植物学领域，“碱基编辑器”已被用于改变单个DNA碱基从而实现更好的收成。生物学家也使用了“碱基编辑器”来探索基因中单个碱基与癌症等疾病的相关作用。我联合创办的两家公司，Beam Therapeutics和Pairwise Plants，正使用“碱基编辑器”来治疗人类遗传性疾病及改善农业。

所有这些对碱基编辑的应用都发生过去在不到三年的时间里：在科学的历史尺度上，这只是一眨眼的功夫。在“碱基编辑器”充分实现对遗传病患者的生命质量提升之前，我们仍有很多工作要做。尽管许多这些疾病被认为是只需要纠正器官中很小一部分细胞的潜在突变就能治疗的，将分子机器(如碱基编辑器)送入人体细胞这一过程仍然极富有挑战。利用特定的自然界中的病毒来递送碱基编辑器(当然是不会让你感冒的那种)，是已经成功实践的且有前景的几种递送策略之一。继续研究开发新的分子机器，以实现其它路径中一个碱基对到另一个碱基对的转变，并尽量减少在细胞非靶点上的编辑是非常重要的。与其他科学家、医生、伦理学家和政府合作，最大限度地提高碱基编辑技术在充分考量的、安全的且合乎伦理的条件下使用的可能性仍然是一项重要任务。尽管有这些挑战，但如果你在五年前告诉我全球的研究人员都将使用实验室发明的分子机器来直接有效地在指定的基因组位置把单个碱基对转变成另一个碱基对，且几乎不产生其他结果，我会反问你，“你是不是在读哪本科幻小说？”

▉ 总结

感谢我们孜孜不倦的学生，他们用惊人的创造力设计出可以改造自身的工具，并用巨大的勇气改良出那些本不具备的性能。碱基编辑技术已经开始将科幻小说般的渴求转变成令人兴奋的现实，我们给孩子们最重要的礼物可能不再只是30亿DNA个碱基，同时还有保护和修复它们的方法。谢谢!

参考出处:

https://www.ted.com/talks/david_r_liu_can_we_cure_genetic_diseases_by_rewriting_dna#t-2796

图片来源：google

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编辑：Sylvia

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