华人大牛全新工具超越“基因魔剪”!可修复近90%致病性遗传变异,公司正申请上市

生物医学
华人大牛全新工具超越“基因魔剪”!可修复近90%致病性遗传变异,公司正申请上市
麻省理工科技评论 2019-10-22

2019-10-22

刘如谦教授团队开发出一种超精确的新型基因编辑工具 PE (Prime Editors),这一成果完全可以称之为基因编辑领域的里程碑突破
基因编辑 科学
刘如谦教授团队开发出一种超精确的新型基因编辑工具 PE (Prime Editors),这一成果完全可以称之为基因编辑领域的里程碑突破

“耶,科学!”美国加州伯克利创新基因组学研究所科学主任 Fyodor Urnov 对于这个新的基因编辑工具的兴奋不能自已。

2019 年 10 月 21 日,Nature 杂志官网预先在线发表了一项重磅研究成果,来自美国麻省理工学院和哈佛大学 Broad 研究所 CRISPR 大牛刘如谦(David Liu)教授团队开发出一种超精确的新型基因编辑工具 PE (Prime Editors),无需 DNA 双链断裂,无需额外的 DNA 模板,便可实现 ATCG 四种碱基间所有 12 种单碱基的自由“改变”,并且能有效实现多碱基的精准增删,这一成果完全可以称之为基因编辑领域的里程碑突破。

华人大牛全新工具超越“基因魔剪”!可修复近90%致病性遗传变异

(来源:Nature)

在 Nature 杂志官网今天配发的新闻报道中,刘如谦表示该新型基因编辑工具有望帮助研究人员纠正近 90% 已知的致病性人类遗传变异(美国国立卫生研究院已列出 75000 多个与疾病相关的 DNA 变异),而且这一最新工具所能实现的精准编辑,也使研究人员更容易在实验室中开发疾病模型,或研究特定基因的功能。

Science 杂志官网今天也对此进行了报道,其中 CRISPR 的先驱、哈佛大学化学家乔治·丘奇(George Church)评价道说:“这是朝着正确方向迈出的一大步。”

Fyodor Urnov 认为,PE 基因编辑工具很可能成为修复致病突变的有效方式,不过他补充说,现在还为时过早,毕竟这项技术“今年才出现”。

超越CRISPR

众所周知,人类基因包含 60 亿个 DNA 碱基,这些化学碱基通过 A、C、G、T 来表示。这些碱基通过配对,比如 A 和 T、C 和 G,来组成 DNA 双螺旋结构。

三十多年前,科学家们在人类肠道细菌基因中偶然发现一组重复回文密码,数年后,这个被简称为 CRISPR 的密码被科学家们巧妙利用,诞生了有史以来最强大的基因编辑工具 CRISPR-Cas9,并引发了整个基因编辑领域的爆炸式发展。

作为当今生命科学领域最火热的基因编辑技术,CRISPR 基因编辑工具不仅为未来基因工程和治疗提供了全新的方案,也为基因的全面研究及其在生命中的重要性探索提供了强大的工具。

华人大牛全新工具超越“基因魔剪”!可修复近90%致病性遗传变异

图丨CRISPR-Cas9 基因编辑系统(来源:bing)

虽然 CRISPR–Cas9 基因编辑工具可以轻松地改变基因组,但其实它仍然有些笨拙,容易出错和产生意想不到的影响,即所谓的脱靶效应。

与 CRISPR–Cas9 基因编辑工具进行“大段”的碱基修改相比,基于 CRISPR 改良后的单碱基编辑技术则可以实现单个碱基的替换或增删,并且不会造成 DNA 链的断裂。

单碱基基因编辑之所以有效,是因为其实有时候 DNA 长链中只会有某一对碱基发生变异,这种现象被称为“点突变”(point mutation)。

2016 年,刘如谦团队改造了 CRISPR-Cas9 技术,研发出首个可编辑 DNA 单个碱基的基因编辑技术 CBE(Cytosine Base Editor),可以将 C-G 碱基对转变成 T-A 碱基对;不久,该团队又获得可将 A-T 碱基对转变成 G-C 碱基对的碱基编辑器 ABE(Adenine Base Editor)。

以 ABE 基因编辑器为例,可以重构单碱基 A 的分子结构,使其重组为 G,从而触发细胞对其他 DNA 链进行修复以完成整个转换过程。而最终的结果就是 A-T 碱基对被成功转换为 G-C 碱基对。这种技术的精妙之处就在于,将基因编码中的错误进行重写,而不是像传统编辑方法那样对 DNA 片段整体进行剪辑或切除。

而今天刘如谦团队发布的 PE 基因编辑工具,其突破在于实现了 ATCG 四种碱基间 12 种碱基的任意修改,比迄今开发的其他 CRISPR 替代技术都更精确、更灵活。

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图 | PE 基因编辑工具原理(来源:Nature)

CRISPR Cas9 和 PE 系统都是通过在基因组的特定点上切割 DNA 来实现的。不同的是,CRISPR-Cas9 系统会破坏 DNA 双螺旋结构的两条链,然后依靠细胞自身的修复系统修补损伤从而实现编辑。但这种修复系统并不可靠,因为它可以在基因组被切断的地方插入或删除 DNA 碱基,这可能导致不可控的混合编辑。

此外,即使研究人员使用模板来指导基因组的编辑,大多数细胞的 DNA 修复系统也更有可能进行那些小的、随机的插入或删除,而不是向基因组添加特定的 DNA 序列。这使得研究人员很难——在某些情况下,几乎不可能——通过 CRISPR-Cas9 基因编辑工具实现想要的 DNA 修改。

尽管 PE 系统也使用像 CRISPR-Cas9 系统那样的 Cas9 酶来识别特定的 DNA 序列,但是 PE 编辑工具中的 Cas9 酶被修改为只切割一条 DNA 链,然后,在 RNA 链的引导下逆转录酶在切口处实现编辑。

PE 编辑工具中的酶不需要破坏两条 DNA 链来进行编辑,这样研究人员就不必依赖于无法控制的细胞 DNA 修复系统来进行他们想要的基因编辑。这也就意味着,PE 基因编辑技术可以帮助治疗现有基因编辑工具很难解决的由基因突变引起的疾病。

马萨诸塞大学医学院分子生物学家 Erik Sontheimer 表示,PE 系统可能无法像 CRISPR-Cas9 那样进行非常大的 DNA 片段插入或删除,所以它不太可能完全取代现有成熟的基因编辑工具,“不同类型的编辑仍需要不同类型的基因组编辑平台。”

基因的修改者

2017 年,刘如谦因开发的全新的“碱基编辑器”而当选《自然》年度 10 大人物,2013 年,张锋同样因为 CRISPR 基因编辑技术的开发而入选。

在 Nature 杂志刊发的介绍中指出,基因的修改者刘如谦所开发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。

刘如谦的本科指导老师、哈佛大学荣誉退休教授、诺贝尔化学奖得主科里(E. J. Corey)至今依然记得刘如谦的本科毕业论文。科里这样评价:“那篇论文绝对完美,不需要任何编辑。”

刘如谦的职业生涯充满了冒险色彩。在加州大学伯克利分校攻读博士生期间,他还开发了一种将非天然氨基酸与活细胞蛋白质共同表达的方法。“我记得一些优秀的高年级研究生告诉我,这个项目非常疯狂,”刘如谦说。

刘如谦在读博士四年级时,科里邀请他回哈佛大学作学术汇报,他的报告让化学系教授们印象深刻,所以刘如谦一拿到博士学位,他们就邀请他入职。2017 年 2 月,David 的团队搬到了大名鼎鼎的博德研究所(Broad Institute )。

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图 | 刘如谦(来源:Nature)

十多年来,刘如谦一直专注于研究一种强大的基因编辑技术——近来被人们熟知的 CRISPR。然而,要想真正精确地编辑基因组,这项技术还不完善。CRISPR 在重写某些细胞中的 DNA 序列片段时并非完全可靠,科学家们想要在基因组中实现的某些变化也可能带来问题。

CRISPR-Cas9 是基因编辑技术中非常热门的工具,但在临床应用中却受 CRISPR-Cas9 本身不可预测性的限制,虽然 Cas9 酶在能科学家的指导下靶向切割 DNA,但 DNA 必须依赖细胞自身的修复系统来恢复剪切,对基因组产生不同的编辑效果。刘如谦的实验室寻找能够改善这个问题的方法。

2016 年,博士后亚历克西斯·科莫(Alexis Komor)以及刘如谦团队中的其他成员共同报告了首个碱基编辑,他们依靠天然酶把 C 转换成 T,或者把 G 转换成 A。这是研究人员首次通过可靠且可控的方式使活细胞的基因序列发生了单碱基改变。自那以后,这种方法已被用于一系列生物体中,包括小麦、斑马鱼和小鼠等。

2017 年 10 月,刘如谦在博德研究所( Broad Institute )的团队发表了一项研究,研究中他们大胆尝试调整 CRISPR 系统。刘如谦使用腺嘌呤碱基编辑器,催化 DNA 碱基的 TadA 酶,得以在无需切割 DNA 的情况下实现单基因替换:腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)碱基对转化为鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)碱基对。这种酶并非天然存在,刘如谦和他的团队能做到这一点完全出乎人们的意料。

此外,刘如谦也是 Editas Medicine、Pairwise Plants 和 Beam Therapeutics 等多家生物技术公司的创始人或联合创始人。

2013 年,手握 CRISPR 主要专利的张锋拿到 4300 万美元的风险投资,与其他四位 CRISPR 基因编辑领域大牛联合创办了 Editas Medicine,致力于开发基于 CRISPR 技术的治疗方法。这四位联合创始人包括加州大学伯克利分校 Jennifer Doudna(后因专利问题与张锋分道扬镳)、哈佛医学院遗传学泰斗 George Church、麻省总医院病理学研究副主任 J.Keith Joung 和当时在霍华德休斯医学研究所任研究员的刘如谦。

2017 年,刘如谦和张锋、Keith Joung 共同创立一家新型基因编辑农业公司 Pairwise Plants,致力于利用基因编辑技术,以新的方式利用农作物的自然多样性来应对全球粮食挑战。

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图丨Beam Therapeutics 团队:CEO John Evans 及联合创始人刘如谦、Keith Joung、 张锋(从左至右)

2018 年,刘如谦和张锋、Keith Joung 又共同创立首个利用单碱基编辑技术开发精准基因药物的创新公司 Beam Therapeutics,这家备受关注的明星公司成立之初便宣布完成高达 8700 万美元的 A 轮融资,今年 3 月 Beam Therapeutic 又宣布完成 1.35 亿美元的 B 轮融资。

2019 年 9 月 27 日,Beam Therapeutics 已经正式向美国证券交易委员会(SEC)递交了纳斯达克上市申请。

Beam 表示,大多数临床前项目已经在实验室中证明了“治疗相关”的细胞碱基编辑技术。明年,其目标是在动物中验证并测试细胞碱基编辑技术,如果一切顺利,其可能会在2021年启动多个人体试验的项目申请。

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