1963年，著名的DNA双螺旋模型获得诺贝尔奖之后仅仅一年，约书亚·莱德伯格（Joshua Lederberg）就已经乐观地预言，通过修改人体基因来治疗疾病，“将仅仅是个时间问题”。
上世纪80年代，科学家在小鼠胚胎干细胞中通过基因打靶技术实现了基因编辑。
上世纪90年代，基于锌指蛋白对DNA的特异识别和切割的特点，锌指蛋白核酸酶技术（ZFNs）诞生。
随后，基于TAL蛋白对DNA碱基的特异识别，我们又认识了转录激活样因子核酸酶技术（TALENs）。
时间来到新世纪，我们有了CRISPR。在多位科学家的杰出贡献下，我们距离造物主越来越近。
从左至右：George Church, Jennifer Doudna, 张锋, Emmanuelle Charpentier
而今天，在顶级期刊《科学》和《自然》上发表的两项研究宣布，我们已经可以不切断DNA和RNA序列，直接对碱基进行编辑，实现将腺嘌呤（A）修改为鸟嘌呤（G）。两项技术的编辑效率均达到50%以上，远超CRISPR，且几乎无不良副作用。这无疑代表着基因编辑技术已经进入单碱基时代，人类真正触摸到了“上帝的手术刀”。
我们已经很熟悉的张锋博士团队通过结合CRISPR-Cas13与RNA腺苷脱氨酶（ADAR2），构建了REPAIR（RNA Editing for Programmable A to I Replacement）编辑体系，研究发表在《科学》上[1]。另一项研究来自同样就职于博德研究所（Broad Institude）的David R.Liu博士团队。该团队则带来以CRISPR-Cas9和DNA腺苷脱氨酶ecTadA为基础的基因编辑器ABEs，研究发表在《自然》上[2]。
David R.Liu博士
我们都知道，人体的DNA含有四种核苷酸，分别是腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）（RNA中没有胸腺嘧啶（T），相应位点表现为尿嘧啶（U）），并严格遵守着A-T，C-G的互补配对原则。
但是胞嘧啶很容易通过脱氨基作用变成胸腺嘧啶，在DNA的自我修复机制下，这将会导致C-G碱基对突变成T-A碱基对。在人类的疾病中，这种突变非常常见，大概占了所有致病性点突变的一半。在罹患局灶性癫痫、杜氏肌营养不良、帕金森等疾病的患者体内都能找到类似的突变。因此，如果能够逆转这一突变，就有希望治疗和预防这些疾病。
令人充满希望的是，矫正的过程看起来非常简单。腺嘌呤脱氨后，会变成一种叫做肌苷（I）的分子，这种物质与鸟嘌呤结构相近。对DNA上的腺嘌呤进行脱氨，新生成的肌苷很快就会被DNA的自我修复或复制“纠正”成鸟嘌呤。对RNA上的腺嘌呤进行脱氨，核糖体则根本“看”不出来它们有什么区别，会把肌苷当作鸟嘌呤进行翻译。
鸟嘌呤（A）脱氨基变为肌苷（I）
要实现腺嘌呤到肌苷的化学变化，科学家还得求助于生物酶。人体中存在天然的RNA腺苷脱氨酶ADAR2，但是却没有对DNA有效的腺苷脱氨酶。Liu博士团队采用蛋白工程手段改造了细菌中的相关酶类，最终获得了能对正常DNA上的腺嘌呤脱氨的DNA腺苷脱氨酶ecTadA。
有了修改碱基的工具，我们还需要能够精确找到突变位点的眼睛。两位科学家都同时想到了已经比较成熟的CRISPR技术。略有不同的是，张锋团队选择了RNA特异的CRISPR-Cas13，Liu团队则选择了DNA特异的CRISPR-Cas9。他们对CRISPR系统进行了一定的修改，使它失去剪切基因序列的能力，然后把它和腺苷脱氨酶组合在一起。
CRISPR技术在编辑基因的时候，需要在特定位点切断DNA双链，然后在其中一条链的缺口上引入需要添加的目标DNA，再通过DNA的自我修复使双链都具有目标DNA序列。然而这种机制非常依赖于一种叫做同源定向修复（HDR）的机制，也就是说只有细胞内部有和目标DNA一样的序列的时候，才能成功修复，否则就会引入异常的基因插入或者删除（InDels）。除此以外，CRISPR的脱靶效应也是非常令人头痛的，一个不小心编辑了其他正常的基因，那可不是闹着玩的。
CRISPR-Cas9（1）、ABEs（2）、REPAIR（3）的作用原理
比起CRISPR，REPAIR和ABEs无疑有着非常大的进步。二者都不受HDR限制，而且不需要切断基因序列，这无疑提升了效率和安全性。
张锋团队使用REPAIR对34种不同疾病相关的变异进行了矫正，均取得了不错的成果。在进一步的修饰改造后，全转录组中可检测的脱靶数从18385锐减到了20个。
蓝色为靶点RNA，红色为非靶点RNA
ABEs经过七代更新以后，则在和CRISPR-Cas9的对比中大获全胜。在5个位点的修饰测试中，ABEs都有不俗的成绩——编辑效率均高于55%，与之相对的，副产物——异常基因插入和删除（InDels）不足0.1%。而CRISPR-Cas9编辑效率只有5%左右，副产物更是多得多。另外，ABEs在2016年已经实现了C-G碱基对向T-A碱基对的修改[3]。
左为ABEs与CRISPR-Cas9编辑效率对比
右为异常插入和删除比率对比
这两项研究从不同的角度给疾病的治疗和预防带来了希望。ABEs有望彻底根治某些疾病，而REPAIR则因为编辑的是可降解的RNA，相对来说更加安全。
张锋和David R.Liu强调，单碱基编辑在进入临床试验之前还需要更多的时间，来验证它们是否能够提供优于现有基因治疗的优势。Liu说：“现在就认为单碱基编辑是更好的基因治疗途径，这从科学的角度上来看是短视且长期角度看也并非正确。”[4,5]
但是，我们不能否认，关于基因编辑，一个新的时代已经到来了。
最后让我们感谢DNA双螺旋结构的发现者watson（左）和Crick（右），是他们为今天的基因科学打下基础
编辑神叨叨
奇点糕今天非常有参与历史书写的感觉，以及……和隔壁实验室携手发Top期刊，真的是很正能量了。
参考资料：
[1]http://science.sciencemag.org/content/early/2017/10/24/science.aaq0180/tab-figures-data
[2]http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature24644.html
[3]Komor, A.C., Kim, Y.B., Packer, M.S., Zuris, J.A. & Liu, D.R. Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage. Nature 533, 420-424 (2016).
[4]http://www.sciencemag.org/news/2017/10/novel-crispr-derived-base-editors-surgically-alter-dna-or-rna-offering-new-ways-fix
[5]http://www.nature.com/news/crispr-hacks-enable-pinpoint-repairs-to-genome-1.22884
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