基因编辑是近年来生命科学领域最热门的话题之一，每一次技术进步都会引起人们的关注。目前，虽然基于CRISPR/Cas9的基因编辑技术已经比较成熟，但是科学家在研发更好更实用的基因编辑技术的道路上并没有停下脚步。
短短三周，基因编辑领域再次迎来三项突破性研究，分别发表在顶级学术期刊《Science》和《Nature》上。而且，这三项研究的两位领导者是来自马萨诸塞州剑桥市布罗德研究所的华裔科学家，也是Editas Medicine的联合创始人。
其中两项研究由张峰教授领导，他是近年来变得炙手可热的CRISPR/Cas9技术的先驱之一。自2013年，张峰开发出可用于编辑DNA和敲除特定基因的CRISPR/Cas系统以来，它一直致力于推动这项技术的完善。在改进和进一步改造CRISPR/Cas9的同时，张峰的研究小组一直在努力进一步扩展基因组编辑的工具箱。
众所周知，CRISPR这种革命性的技术在基因组DNA编辑中发挥了很多重要作用。虽然它主要用于DNA，但一些新的研究将其范围扩展到了RNA编辑。《自然方法》去年评选的年度技术包括通过CRISPR基因编辑技术靶向RNA。其中一个重大进展是张峰研究小组对Cas13a的研究，Cas13a是一种RNA导向酶，可以靶向并降解RNA。
在这项研究的基础上，2017年10月初，张峰的研究团队在《自然》杂志上发表了一篇名为“用CRISPR-Cas13进行RNA靶向”的文章。这项研究证实了CRISPR-Cas13系统可以靶向哺乳动物细胞中的RNA。
在这项研究中，张峰和他的同事证实了切割RNA的Cas13a酶可以特异性地降低哺乳动物细胞中内源RNA和报告RNA的水平。此外，他们构建了一个双质粒RNA靶向CRISPR系统，在不同的质粒上表达指导RNA(gRNA)和Cas13a基因，其中Cas13a基因含有一个修饰的核定位序列。(在人类细胞系中，这种CRISPR/Cas13a构建体可以有效切割在报告质粒中转录的RNA和由三种内源基因转录的RNA。
2017年10月15日，仅仅三周后，另一篇代表作《用CRISPR-Cas13编辑RNA》《Science》出版。在这项研究中，张峰的团队证明了这种新的CRISPR系统(修复)可以有效地编辑RNA中的腺嘌呤(A)。由于RNA在人体内会自然降解，这种编辑过程不会导致人类基因组的永久性改变，也有望准确纠正会导致疾病的基因突变。
众所周知，DNA的双螺旋结构由四个碱基组成：腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)。将a与t配对，c与g配对.在人类遗传病中，如帕金森病、局灶性癫痫和杜氏肌营养不良，鸟嘌呤(G)突变为腺嘌呤(A)是非常常见的。
那么如何从根源上治疗这些疾病，研究者的第一反应当然是纠正一个回G，逆转这个突变。
脱氨基后，腺嘌呤(A)变成一种叫做肌苷(I)的分子，其结构与鸟嘌呤(G)如此相似，以至于细胞甚至分不清两者。可以被RNA聚合酶识别，相当于把腺嘌呤(A)变成鸟嘌呤(G)。实现了从a到g的精确校正。
在10月初的《Nature》报告中，研究人员已经证实Cas13不同于常见的Cas9。Cas13蛋白只针对RNA，不会影响基因组的遗传信息，从而进一步增加了基因编辑的安全性。在这项研究中，张峰的团队修改了来自普雷沃菌属细菌的Cas13b蛋白，使其失去“切割”功能，并将其与一种名为ADAR2的酶融合。然后CRISPR/Cas13b系统可以将ADAR2输送到RNA上的特定位点，将腺嘌呤(a)转化为肌苷(I)。这个系统被命名为“修复”(可编程a到I替换的RNA编辑)。
在后续实验中，研究小组在人体细胞中引入了可导致范可尼贫血和X连锁肾性尿崩症的致病突变，以测试修复系统是否能有效修复它们。结果表明，这些突变可以在RNA水平得到有效纠正，证明了这一系统的可行性。
后来，为了进一步提高修复的特异性，研究人员进行了一系列修改，使其成为REPAIRv2系统。结果表明，REPAIRv2系统可以将整个转录组中可检测的脱靶编辑次数从18385次减少到20次！编辑RNA的效率最高可达51%。
发表在《Nature》期刊上的另一项重要研究也是由来自布罗德研究所的中国科学家、哈佛大学化学教授David Ruchien Liu领导的。他的研究团队成功地将A-T碱基对转换为G-C碱基对，这种调整可能解决1.6万种与点突变有关的已知疾病。
一般情况下，A和T配对，C和G配对。但C容易发生自发的脱氨基突变，将原本良好的C-G组合变成A-T组合。这种在DNA长链上一对碱基发生突变的现象称为“点突变”。在已知的50000种与疾病有关的人类基因变异中，有32000种是由点突变引起的。因此，如果能够修复这些基因突变，将A-T变回C-G，那么就有望从根本上纠正人类的大部分遗传疾病。
在上面，我们已经介绍了腺嘌呤(A)的脱氨基作用。脱氨基后产生的肌苷(I)的结构与鸟嘌呤(G)非常接近，可以成功骗过细胞内的DNA聚合酶。然后经过几轮简单的DNA复制，就可以把A-T组合变回C-G，遗憾的是，到目前为止，科学家还没有发现任何可以催化DNA中腺嘌呤(A)脱氨的酶。然而，发现了一种可以催化RNA上腺嘌呤(A)脱氨基的TadA酶。
刘教授的研究小组认为，虽然TadA催化的是RNA，而不是DNA，但他们认为TadA仍然具有很强的应用潜力。基于此，研究小组对TadA进行了改造，他们将编码TadA的基因导入大肠杆菌，筛选出能够催化DNA中腺嘌呤(a)脱氨的突变体。
在这个过程中，研究人员引入了一套不切割DNA的特殊CRISPR/Cas9系统，用于精确定位和靶向特定的单碱基。经过七轮改造和优化，终于诞生了新的基因编辑工具！
它被称为“ABE(腺嘌呤碱基编辑器)”，可以重建单碱基A的结构，重组为G，从而触发细胞修复其他DNA链，完成整个转换过程。最终结果是A-T碱基对成功转换为G-C碱基对。这项技术的精妙之处在于，它重写了基因编码中的错误，而不是像传统的编辑方法那样，对整个DNA片段进行编辑或剪切。
使用这个“碱基编辑器(ABE)”，研究人员对人类细胞内镰状细胞贫血和遗传性血色病进行了两次实验，完全没有脱靶现象和额外的DNA插入或缺失。
标准的基因编辑方法，如CRISPR/Cas9，可能会破坏DNA的双链结构。毫无疑问，CRISPR/Cas9如果是为了插入或者敲除一些DNA碱基是非常有效的。但如果目标只是修复某一点的突变，“碱基编辑阿部”只涉及碱基的重排，不破坏DNA的双链，无疑是更安全有效的方式。
此外，刘中达教授表示，新的碱基编辑方法并不是要取代传统的CRISPR技术，而是为一些疾病的治疗提供一种替代方案。目前，刘中达和他的同事已经为安倍(基地编辑)申请了专利。
还有一点值得一提的是，CRISPR磕磕绊绊的地方，比如不分裂的成熟细胞，比如神经元。修和阿部都有能力争取。在一项未发表的研究中，刘说，他和他的团队已经证明，ABE可以编辑神经元中的基因，并提高了使用ABE治疗破坏性神经疾病的可能性。
对此，乔治丘奇评论说，这是一场改进CRISPR技术的激烈竞争，无论是REPAIR还是ABE，还是接下来开发的基因组编辑工具。它强烈提醒我们CRISPR离人类基因组编辑还有多远。
与此同时，教授和刘教授也强调，这两个基因编辑系统进入临床试验可能还需要几年时间，它们是否比现有的基因疗法更有优势还有待评估。然而这些发展都在这里，所以CRISPR 2.0时代来了！
参考来源：
doi:10.1038/nature24644
DOI:10.1126/
DOI:10.1038/nature24049