“耶，科學!”美國加州伯克利創新基因組學研究所科學主任Fyodor Urnov對於這個新的基因編輯工具的興奮不能自已。2019年10月21日，Nature雜誌官網預先在線發表了一項重磅研究成果，來自美國麻省理工學院和哈佛大學Broad研究所CRISPR大牛劉如謙（David Liu）教授團隊開發出一種超精確的新型基因編輯工具PE （Prime Editors）。

無需DNA 雙鏈斷裂，無需額外的DNA 模板，便可實現ATCG 四種鹼基間所有12 種單鹼基的自由“改變”，並且能有效實現多鹼基的精準增刪，這一成果完全可以稱之為基因編輯領域的里程碑突破。

（來源：Nature）

在Nature 雜誌官網今天配發的新聞報導中，劉如謙表示該新型基因編輯工具有望

幫助研究人員糾正

近90%

已知的致病性人類遺傳變異

（美國國立衛生研究院已列出75000 多個與疾病相關的DNA 變異），而且

這一最新工具所能實現的精準編輯，也使研究人員更容易在實驗室中開發疾病模型，或研究特定基因的功能。

Science 雜誌官網今天也對此進行了報導，其中CRISPR 的先驅、哈佛大學化學家喬治·丘奇（George Church）評價道說：“這是朝著正確方向邁出的一大步。”

Fyodor Urnov 認為，

PE 基因編輯工具很可能成為修復致病突變的有效方式

，不過他補充說，現在還為時過早，畢竟這項技術“今年才出現”。

超越CRISPR

眾所周知，人類基因包含60 億個DNA 鹼基，這些化學鹼基通過A、C、G、T 來表示。這些鹼基通過配對，比如A 和T、C 和G，來組成DNA 雙螺旋結構。

三十多年前，科學家們在人類腸道細菌基因中偶然發現一組重複回文密碼，數年後，這個被簡稱為CRISPR的密碼被科學家們巧妙利用，誕生了有史以來最強大的基因編輯工具CRISPR-Cas9 ，並引發了整個基因編輯領域的爆炸式發展。

作為當今生命科學領域最火熱的基因編輯技術，CRISPR 基因編輯工具不僅為未來基因工程和治療提供了全新的方案，也為基因的全面研究及其在生命中的重要性探索提供了強大的工具。

圖丨CRISPR-Cas9 基因編輯系統（來源：bing）

雖然CRISPR–Cas9 基因編輯工具可以輕鬆地改變基因組，但其實它仍然有些笨拙，容易出錯和產生意想不到的影響，即所謂的

脫靶效應

。

與CRISPR–Cas9 基因編輯工具進行“大段”的鹼基修改相比，基於CRISPR 改良後的單鹼基編輯技術則可以實現單個鹼基的替換或增刪，並且不會造成DNA 鏈的斷裂。

單鹼基基因編輯之所以有效，是因為其實有時候DNA 長鏈中只會有某一對鹼基發生變異，這種現像被稱為

“點突變”

（point mutation）。

2016 年，劉如謙團隊改造了CRISPR-Cas9 技術，

研發出首個可編輯DNA 單個鹼基的基因編輯技術CBE

（Cytosine Base Editor），可以將CG 鹼基對轉變成TA 鹼基對；不久，該團隊又獲得可將AT 鹼基對轉變成GC 鹼基對的

鹼基編輯器ABE

（Adenine Base Editor）。

以ABE 基因編輯器為例，可以重構單鹼基A 的分子結構，使其重組為G，從而觸發細胞對其他DNA 鏈進行修復以完成整個轉換過程。而最終的結果就是AT 鹼基對被成功轉換為GC 鹼基對。

這種技術的精妙之處就在於，將基因編碼中的錯誤進行重寫

，而不是像傳統編輯方法那樣對DNA 片段整體進行剪輯或切除。

而今天劉如謙團隊發布的PE 基因編輯工具

，其突破在於實現了ATCG 四種鹼基間12 種鹼基的任意修改，比迄今開發的其他CRISPR 替代技術都更精確、更靈活。

圖| PE 基因編輯工具原理（來源：Nature）

CRISPR Cas9 和PE 系統都是通過在基因組的特定點上切割DNA 來實現的。不同的是，CRISPR-Cas9 系統會破壞DNA 雙螺旋結構的兩條鏈，然後依靠細胞自身的修復系統修補損傷從而實現編輯。

但這種修復系統並不可靠，因為它可以在基因組被切斷的地方插入或刪除DNA 鹼基，這可能導致不可控的混合編輯。

此外，即使研究人員使用模板來指導基因組的編輯，大多數細胞的DNA 修復系統也更有可能進行那些小的、隨機的插入或刪除，而不是向基因組添加特定的DNA 序列。這使得研究人員很難——在某些情況下，幾乎不可能——通過CRISPR-Cas9 基因編輯工具實現想要的DNA 修改。

儘管PE 系統也使用像CRISPR-Cas9 系統那樣的Cas9 酶來識別特定的DNA 序列，但是PE 編輯工具中的Cas9 酶被修改為只切割一條DNA 鏈，然後，在RNA 鏈的引導下逆轉錄酶在切口處實現編輯。

PE 編輯工具中的酶不需要破壞兩條DNA 鏈來進行編輯

，這樣研究人員就不必依賴於無法控制的細胞DNA 修復系統來進行他們想要的基因編輯。這也就意味著，

PE 基因編輯技術可以幫助治療現有基因編輯工具很難解決的由基因突變引起的疾病。

馬薩諸塞大學醫學院分子生物學家Erik Sontheimer 表示，PE 系統可能無法像CRISPR-Cas9 那樣進行非常大的DNA 片段插入或刪除，所以它不太可能完全取代現有成熟的基因編輯工具，“不同類型的編輯仍需要不同類型的基因組編輯平台。”

基因的修改者

2017 年，劉如謙因開發的全新的“鹼基編輯器”而當選《自然》年度10 大人物，2013 年，張鋒同樣因為CRISPR 基因編輯技術的開發而入選。

在Nature雜誌刊發的介紹中指出，基因的修改者劉如謙所開發的基因修改工具是自然中前所未有的，而它有一天可能救命。

劉如謙的本科指導老師、哈佛大學榮譽退休教授、諾貝爾化學獎得主科里(EJ Corey)至今依然記得劉如謙的本科畢業論文。科里這樣評價：“那篇論文絕對完美，不需要任何編輯。”

劉如謙的職業生涯充滿了冒險色彩。在加州大學伯克利分校攻讀博士生期間，他還開發了一種將非天然氨基酸與活細胞蛋白質共同表達的方法。“我記得一些優秀的高年級研究生告訴我，這個項目非常瘋狂，”劉如謙說。

劉如謙在讀博士四年級時，科里邀請他回哈佛大學作學術匯報，他的報告讓化學系教授們印象深刻，所以劉如謙一拿到博士學位，他們就邀請他入職。2017 年2 月，David 的團隊搬到了大名鼎鼎的博德研究所（Broad Institute ）。

圖| 劉如謙（來源：Nature）

十多年來，劉如謙一直專注於研究一種強大的基因編輯技術——近來被人們熟知的CRISPR。然而，要想真正精確地編輯基因組，這項技術還不完善。CRISPR 在重寫某些細胞中的DNA 序列片段時並非完全可靠，科學家們想要在基因組中實現的某些變化也可能帶來問題。

CRISPR-Cas9 是基因編輯技術中非常熱門的工具，但在臨床應用中卻受CRISPR-Cas9 本身不可預測性的限制

，雖然Cas9 酶在能科學家的指導下靶向切割DNA，但DNA 必須依賴細胞自身的修復系統來恢復剪切，對基因組產生不同的編輯效果。劉如謙的實驗室尋找能夠改善這個問題的方法。

2016 年，博士後亞歷克西斯·科莫（Alexis Komor）以及劉如謙團隊中的其他成員共同報告了首個鹼基編輯，他們依靠天然酶把C 轉換成T，或者把G 轉換成A。

這是研究人員首次通過可靠且可控的方式使活細胞的基因序列發生了單鹼基改變。

自那以後，這種方法已被用於一系列生物體中，包括小麥、斑馬魚和小鼠等。

2017 年10 月，劉如謙在博德研究所( Broad Institute )的團隊發表了一項研究，研究中他們大膽嘗試調整CRISPR 系統。劉如謙使用腺嘌呤鹼基編輯器，催化DNA 鹼基的TadA 酶，得以在無需切割DNA 的情況下實現單基因替換：腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）鹼基對轉化為鳥嘌呤（G ）和胞嘧啶（C）鹼基對。這種酶並非天然存在，劉如謙和他的團隊能做到這一點完全出乎人們的意料。

此外，劉如謙也是Editas Medicine、Pairwise Plants 和Beam Therapeutics 等多家生物技術公司的創始人或聯合創始人。

2013 年，手握CRISPR 主要專利的張鋒拿到4300 萬美元的風險投資，與其他四位CRISPR 基因編輯領域大牛聯合創辦了

Editas Medicine，致力於開發基於CRISPR技術的治療方法。這四位聯合創始人包括加州大學伯克利分校Jennifer Doudna（後因專利問題與張鋒分道揚鑣）、哈佛醫學院遺傳學泰斗George Church、麻省總醫院病理學研究副主任J.Keith Joung和當時在霍華德休斯醫學研究所任研究員的劉如謙。

2017 年，劉如謙和張鋒、Keith Joung 共同創立一家新型基因編輯農業公司Pairwise Plants，致力於利用基因編輯技術，以新的方式利用農作物的自然多樣性來應對全球糧食挑戰。

圖丨Beam Therapeutics 團隊：CEO John Evans 及聯合創始人劉如謙、Keith Joung、 張鋒（從左至右）

2018 年，劉如謙和張鋒、Keith Joung 又共同創立首個利用單鹼基編輯技術開發精準基因藥物的創新公司Beam Therapeutics，這家備受關注的明星公司成立之初便宣布完成高達8700 萬美元的A 輪融資，今年3 月Beam Therapeutic 又宣布完成1.35 億美元的B 輪融資。

2019 年9 月27 日，Beam Therapeutics 已經正式向美國證券交易委員會（SEC）遞交了納斯達克上市申請。

Beam表示，大多數臨床前項目已經在實驗室中證明了“治療相關”的細胞鹼基編輯技術。

明年，其目標是在動物中驗證並測試細胞鹼基編輯技術，如果一切順利，其可能會在2021年啟動多個人體試驗的項目申請。