精品TED解读-刘如谦带你了解单碱基编辑

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。

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。

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。

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。

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。

“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。

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!