在DNA長長的鏈條上，想要精準(zhǔn)打擊致病的“敵人”，采用譽(yù)為“基因剪刀”的CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)，在剪斷“敵人”的同時(shí)，也可能會(huì)隨機(jī)帶走若干個(gè)健康片段，稱之為“脫靶效應(yīng)”；但利用比作“鉛筆”的CRISPR堿基編輯器可以相對(duì)準(zhǔn)確地將目標(biāo)片段“修改”成想要的樣子。

　　然而，這支“鉛筆”也有可能“張冠李戴”，將原有的片段換成其他片段。日前，哈佛大學(xué)麻省總醫(yī)院的一個(gè)研究小組報(bào)告指出，近年來開發(fā)的幾種CRISPR堿基編輯器會(huì)導(dǎo)致靶標(biāo)DNA以外的RNA大范圍脫靶。同時(shí)該研究小組還研發(fā)了一種工程化新堿基編輯器，能顯著降低RNA編輯的發(fā)生率，提高靶標(biāo)DNA編輯的精確度。這一研究成果發(fā)表在國際權(quán)威雜志《自然》上。

　　從30億個(gè)“文字”中找到“錯(cuò)字”修改

　　人類遺傳疾病的治療一直是生物醫(yī)學(xué)的難點(diǎn)。迄今為止，很多類型的遺傳疾病依然沒有可行的治療方法；對(duì)于少數(shù)種類遺傳疾病。

　　“如果把人類基因組DNA全序列比成一本書，這本書約有30億個(gè)字，每個(gè)‘堿基’就像這本書中的一個(gè)字。”廈門大學(xué)藥學(xué)院劉文博士介紹說，目前，已知的人類單基因遺傳疾病約7000種，其中大多是單堿基突變引起的。

　　是否有更好的治療策略呢？“對(duì)單個(gè)錯(cuò)誤堿基的糾正就有可能治愈這些單基因遺傳疾病，因此科學(xué)家希望找到一種可以對(duì)單個(gè)堿基進(jìn)行準(zhǔn)確靶向修改的分子工具。”劉文說，但這是難度極大的，就像是從30億個(gè)文字中準(zhǔn)確快速地找到這個(gè)字并進(jìn)行修改。

　　“正是由于這種精確的靶向功能，CRISPR/Cas9系統(tǒng)被開發(fā)成高效的基因編輯工具。”廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院袁晶教授告訴記者，CRISPR/Cas9系統(tǒng)像是一把可以準(zhǔn)確剪開雙鏈DNA的“剪刀”，已在許多物種中實(shí)現(xiàn)了高效的基因敲除，在生物醫(yī)學(xué)研究中發(fā)揮了革命性的作用。但同時(shí)它也會(huì)造成雙鏈DNA的斷裂，從而引入潛在的隨機(jī)插入和缺失的突變風(fēng)險(xiǎn)，也就是DNA脫靶效應(yīng)。

　　2017年，哈佛大學(xué)劉如謙課題組發(fā)表在《自然》雜志的研究，首次創(chuàng)新性地基于CRISPR/Cas9系統(tǒng)，開發(fā)出第一代堿基編輯器BE1。研究者進(jìn)一步運(yùn)用這套系統(tǒng)在體外細(xì)胞中對(duì)阿爾茨海默病致病基因APOE4和癌癥致病基因TP53的核苷酸進(jìn)行了精確替換，驗(yàn)證了技術(shù)的可行性。

　　“CRISPR堿基編輯器，更像是一支可以修改單堿基的‘鉛筆’，不會(huì)造成雙鏈DNA的斷裂，理論上可對(duì)數(shù)百種引起人類疾病的基因組單堿基突變進(jìn)行定點(diǎn)矯正，從而規(guī)避了潛在的風(fēng)險(xiǎn)，在臨床醫(yī)學(xué)研究以及作物育種等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力和重要的應(yīng)用價(jià)值。”福建農(nóng)林大學(xué)基因組與生物技術(shù)研究中心常務(wù)副主任張積森教授說。

　　RNA水平的脫靶效應(yīng)也亟須關(guān)注

　　科學(xué)技術(shù)有時(shí)候也是一把“雙刃劍”，堿基編輯器預(yù)料之外的脫靶效應(yīng)也不容忽視。劉文認(rèn)為，就像是本來要修改第一頁的錯(cuò)字，但是由于脫靶效應(yīng)導(dǎo)致第三頁的一個(gè)正確的字被修改了，這種脫靶突變可能會(huì)導(dǎo)致潛在疾病的發(fā)生。

　　“自單堿基編輯器問世以來，大多數(shù)關(guān)于脫靶基因編輯的調(diào)查都集中在DNA上，但我們發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)也可以誘導(dǎo)大量的RNA改變。”文章通訊作者、哈佛大學(xué)麻省總醫(yī)院病理學(xué)系基思博士說。

　　起初，基思博士猜想，融合大鼠胞嘧啶核甘脫氨酶rAPOBEC1的堿基編輯器作為“鉛筆”，在細(xì)胞中涂改DNA分子的目標(biāo)核苷酸堿基的同時(shí)，也有可能會(huì)對(duì)RNA分子上的特定核苷酸位點(diǎn)涂改。如果這種可能性屬實(shí)，細(xì)胞中不同基因的大量mRNA分子，都可能被堿基編輯器修飾，從而導(dǎo)致脫靶RNA效應(yīng)。

　　他們的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了猜想。中國科學(xué)院任沖博士告訴科技日?qǐng)?bào)記者，研究人員對(duì)廣泛應(yīng)用的CBE堿基編輯器以及近來研發(fā)的ABE堿基編輯器都進(jìn)行了RNA脫靶效應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)這兩種編輯器都會(huì)在RNA水平引起大范圍的堿基編輯，這說明堿基編輯器不僅擁有DNA水平的編輯活性，同時(shí)也有RNA水平的編輯活性，而RNA水平的編輯現(xiàn)象往往在研究中容易被忽略。

　　“現(xiàn)有的堿基編輯器，普遍存在對(duì)RNA分子的脫靶效應(yīng)，對(duì)于它的臨床應(yīng)用具有很大的風(fēng)險(xiǎn)，在未來的醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用中，我們需要它實(shí)現(xiàn)既要精準(zhǔn)打擊敵人，又不能傷及無辜。”中國科學(xué)院梁振昌研究員說，現(xiàn)階段，全球科學(xué)家在持續(xù)努力，不斷提升基因編輯技術(shù)的基因修飾效率和精準(zhǔn)性，減少脫靶。

　　篩選出更為精準(zhǔn)的新“鉛筆”

　　第一代單堿基編輯器BE1問世后，領(lǐng)域內(nèi)大多數(shù)科學(xué)家專注于兩個(gè)方面的改進(jìn)：第一是提高堿基編輯器的單堿基替換活性，使得這支“鉛筆”使用起來效率更高；第二是提高堿基編輯器修飾DNA分子的位點(diǎn)特異性，最大程度減少DNA脫靶發(fā)生，確保“鉛筆”只在DNA需要的目的堿基進(jìn)行涂改。“這兩個(gè)方面的改進(jìn)，對(duì)于臨床應(yīng)用至關(guān)重要。”袁晶說。

　　發(fā)現(xiàn)堿基編輯器普遍存在RNA脫靶的缺陷后，基思博士團(tuán)隊(duì)對(duì)原有CBE堿基編輯器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，從16種突變蛋白中篩選得到了2個(gè)改良的“新鉛筆”——堿基編輯器“BE3-R33A”和“BE3-R33A/K34A”。與原始的CBE編輯器相比，改良后的堿基編輯器具有同等的DNA編輯活性，但RNA水平的編輯頻率至少分別降低了390倍和3800倍。“構(gòu)建、篩選有利的（低RNA脫靶效應(yīng)）堿基編輯器，是目前減少脫靶效應(yīng)的有效方式。”梁振昌介紹說。

　　任何技術(shù)在它的起步階段，都不是完美的。“最新的這項(xiàng)研究讓我們認(rèn)識(shí)到了堿基編輯器存在的不足，也提醒研究人員在未來的研究中需要更加全面地了解該技術(shù)以及任何新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺陷”張積森說。

　　袁晶認(rèn)為，對(duì)待人類遺傳疾病的治療，如果說藥物治療起到的是治標(biāo)，那么通過基因編輯技術(shù)特別是堿基編輯器，將遺傳疾病患者致病的錯(cuò)誤遺傳信息，從根本上矯正過來，可以起到治本的目的。這條道路蘊(yùn)含希望，但是必定漫長且充滿艱難曲折。