修复脱靶“漏洞”踩下基因编辑“安全刹车”

■本刊记者 常 晓

让裁剪“生命天书”的基因编辑技术变得更安全，在这一全球激烈竞争的领域，中国科学家已开始领跑。

不久前，国际顶级学术期刊《自然》在线发表了我国科学家题为《DNA单碱基编辑技术引起RNA（核糖核酸）脱靶及其通过突变消除RNA活性》的论文，首次证明了多个单碱基编辑技术均存在大量的RNA脱靶，并获得3种更高精度的单碱基编辑工具，为单碱基编辑技术进入临床治疗提供了重要基础。

此项研究一经发表，立即引起了广泛关注，业界称其“踩下了基因编辑技术的安全刹车”。而通过此次研究，研究团队将有望在“漏洞”修复的基础上，进一步开发出新一代更加安全精准的基因编辑技术。

神奇的单碱基编辑技术

随着科学技术的不断进步，基因编辑这一曾经高高在上的科学名词，如今已走进公众视野。“基因编辑技术若使用得当，是能造福人类的。”中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究人员介绍，利用这一技术，我们可以改良植物性状，使得蔬菜保质期更长，口感更好；而通过相关DNA复活灭绝物种等，也并非遥不可及。

当然，对于基因编辑技术来说，更关键的是可以治疗一些恶性疾病。脊髓性肌营养不良、地中海贫血、血友病、视网膜黄斑变性、遗传性耳聋……根据杨辉提供的数据，全球有3亿罕见病患者，其中儿童占了一半。这7000多种罕见病绝大多数无有效药物可治，犹如悬在头顶上的一把达摩克利斯之剑，长久困扰着人类。

单碱基编辑技术的出现，犹如一道曙光，让科学家和患者们看到了希望。“80%的罕见病是单基因遗传病。理论上，通过单碱基编辑技术可以修复50%以上的单基因遗传病。”相关人员如是介绍。然而，现实却是，由于安全性一直无法确定，迄今为止，仅有两三种基因编辑技术进入了临床试验阶段。横亘在罕见病患者面前的是一座看不见的高山。

基因是有遗传效应的DNA片段。人类的DNA由31亿多个碱基对组成，这些数量庞大的碱基对由ATCG4种碱基有机地排列组合而成。所谓基因编辑，即是对基因组中的特定DNA片段进行敲除、加入、替换等。2012年，凭借成本低廉、操作方便、效率高等优势，第三代基因编辑工具CRISPR/Cas9在科学界迅速风靡。

在CRISPR/Cas9基础上，随后又衍生出了第四代基因编辑技术——单碱基编辑技术：一类是CBE，即可以将DNA4种核苷酸中的C突变成T或者G突变成A的一类编辑器；第二类是ABE，即可以将T突变成C或者A突变成G的编辑器。

“基因编辑工具CRISPR/Cas9相当于一个加了GPS的剪刀。”随着研究深入，研究人员发现，在针对很多疾病开展修复的过程中，由于CRISPR/Cas9首先需要切断DNA双链，再利用细胞自身的修复来精确修复，这往往导致切断了DNA双链之后，仅有一部分细胞会通过精确的同源重组来修复，另外一部分则会被随机修复。而随机修复往往会引起其他的突变，这就限制了CRISPR/Cas9技术在疾病治疗中的应用。“如果将CRISPR/Cas9及其衍生工具用于临床的话，脱靶效应可能会引起包括癌症在内的多种副作用。”

无处不在的脱靶风险

我们知道，在某些极端情况下，一个碱基的变化都可能导致某些基因功能的改变或者缺失，进而引发疾病。实际上，人类接近一半的单基因遗传病，是由一个碱基变化导致。因而，能否把这个特定的碱基安全有效修复，正是基因编辑工具肩负的一个重要使命。

“无论哪一种基因编辑工具，编辑效率和特异性一直是衡量其好坏的两个关键因素。”研究人员介绍，基因编辑技术的开发难点在于，既要能保证很高的目的位点编辑效率，又要能保证基因编辑工具的特异性。换句话说，我们的基因编辑工具只能编辑目的位点，不能编辑到其他不想编辑的位点。

今年初，研究团队建立起名为GOTI的新型脱靶检测技术，通过精巧的实验设计发现，原以为安全的CBE单碱基编辑技术存在DNA脱靶，其脱靶的概率相当于自然遗传突变的20倍。这意味着什么？“如果脱靶发生到了癌基因和抑癌基因上，将会导致一定的致癌风险。”研究人员解释。而得益于这一发现，随后有两家公司把正在推向临床的两个基因药物项目及时叫停了。

探索的脚步没有就此停止。此前，对于单碱基编辑技术脱靶问题的研究一直专注在DNA水平，该工具在RNA水平上是否也存在脱靶风险呢？瞄准新目标，研究团队开始了新一轮的深入研究。

更安全精准的编辑工具

时光不负情深。此次，研究团队将单碱基编辑技术脱靶检测范围扩展到了RNA水平，首次证明常用的 3种单碱基编辑技术 BE3、BE3-hA3A和ABE7.10均存在大量的RNA脱靶，并且发现ABE7.10高频率地发生在癌基因和抑癌基因上，具有较强的致癌风险。

“在之前的研究报告中，CBE单碱基编辑技术存在全基因组范围内的DNA水平随机脱靶，ABE单碱基编辑技术未检测到DNA水平的脱靶。而我们的研究发现，CBE和ABE均存在RNA水平的脱靶。”研究人员告诉记者，这提示了该领域不仅需要关心基因编辑工具的DNA水平脱靶检查，还需要关心RNA水平的脱靶检查。“我们的初衷都是希望能够开发出高编辑效率、高特异性的基因编辑工具，应用到疾病的治疗中去。”

事实证明，RNA脱靶确实存在于单碱基编辑器上，但是具体由哪一个部分引起的RNA脱靶呢？

研究团队通过精巧的实验设计，发现存在于单碱基编辑器中的脱氨酶是“罪魁祸首”。他们分别对CBE单碱基基因编辑技术的胞嘧啶脱氨酶，以及ABE单碱基基因编辑技术的腺嘌呤脱氨酶实施了突变优化，将两种脱氨酶的RNA结合活性失活掉，使其不能结合到RNA上，最终获得能够完全消除RNA脱靶，并维持DNA编辑活性的高保真单碱基编辑工具。

不仅如此，研究团队开发的新一代ABE单碱基编辑工具还能够缩小编辑窗口，实现更加精准的DNA编辑。该技术在特异性和精确性上超越了单碱基编辑器ABE7.10，有望在未来成为一种更加安全、更加精准的基因编辑工具，应用于临床治疗中。

研究团队负责人表示，下一步，研究团队将努力开发出既没有DNA也没有RNA脱靶的编辑工具。而如何使得基因编辑工具变得更小，更加方便导入到病人的细胞中开展治疗，也是未来研究的一个重要方向。眼下，研究团队已开始尝试以小鼠和猴为模型，用基因编辑研究治疗罕见病。