來源：Nature自然科研

新的CRISPR體系能夠更精準地控制DNA變化，這將爲基因編輯領域的研究人員打開新的可能。

儘管目前流行的CRISPR–Cas9基因編輯體系能夠相對容易地改變基因組，但它始終沒有那麼靈巧，常常會出錯，甚至帶來意想不到的後果。而最近開發出來的一項新技術能夠更準確地進行基因編輯——這一點對於開發基因療法尤爲重要。

與目前流行的CRISPR-Cas9體系相比（見圖），一種名爲“先導編輯”的新型基因編輯工具可以更精準地對DNA進行編輯。| 圖片來源：Juan Gaertner/SPL

這個被稱爲“先導編輯”的新方法能夠更準確地對靶位點進行修飾，減少不必要的位點改變。10月21日，《自然》發表的一篇論文[1]描述了該工具，稱其能夠降低“脫靶”發生風險——標準CRISPR–Cas9體系在應用中的主要挑戰之一，這意味着基於先導編輯的基因療法具有更高的安全性。

除了精準性，多樣性是先導編輯的另一大優勢——這種技術有望實現更廣泛的基因修飾，也許未來的某一天，它能夠解決現在許多基因編輯研究人員束手無策的遺傳性疾病。博德研究所的化學生物學家David Liu是上述論文的通訊作者，據他估計，對於美國國立衛生研究院ClinVar數據庫列出的75，000多個與疾病相關的DNA變異，先導編輯或許將幫助研究人員解決其中的近90%。

Liu表示這種新工具可以實現的基因編輯具有較高特異性，研究人員可以藉助該特點在實驗室中進行疾病造模，或對特定基因的功能進行研究。

“儘管現在尚屬開發早期，但已有的結果看起來棒極了。”普林斯頓大學DNA修復與基因編輯研究員Brittany Adamson說，“它很快就會流行起來。”

先導編輯可能無法實現CRISPR–Cas9能夠做到的大段DNA插入或刪除，因此不會完全取代現有的成熟的基因編輯體系，馬薩諸塞大學醫學院的分子生物學家Erik Sontheimer說。這是因爲在先導編輯中，需要修改的基因主要編碼在一段RNA上，RNA鏈越長，就越容易被細胞內的酶破壞。

“不同類型的基因編輯需求，需要不同的基因編輯體系來實現。”Sontheimer說。

但相比目前其它的CRISPR替代基因編輯體系，先導編輯的基因編輯功能更加精準多樣。這些體系包括改良版CRISPR–Cas9體系——讓研究人員可以實現單個DNA鹼基的替換；以及一些更老的基因編輯工具，比如鋅指核酸酶，它們很難對單個DNA鹼基進行編輯。

帶着鐐銬跳舞：自由與精準

CRISPR–Cas9和先導編輯均通過在基因組中的特定位點切斷DNA發揮作用。前者會切斷DNA雙鏈，然後依靠細胞自身的修復系統來修補損傷並進行基因編輯。但這種修復系統可能在基因組被切斷的位置插入或刪除DNA鹼基，並不全然可靠。因此，研究人員無法控制基因編輯的結果，細胞和細胞間也可能存在差異。

此外，即便研究人員加入了模板引導基因組編輯，相比在基因組中插入特定的DNA序列，大多數細胞中的DNA修復系統更傾向於插入或刪除單個或少數幾個鹼基。因此，研究人員很難，甚至幾乎不可能依靠CRISPR–Cas9體系將某個DNA片段替換爲目標序列。

先導編輯則能繞開這些問題（參見“基因編輯進入精準時代”）。儘管它也和CRISPR–Cas9體系一樣，使用Cas9識別特定的DNA序列，但先導編輯中的Cas9經過了改造，只切斷1條DNA鏈，隨後逆轉錄酶在RNA鏈的引導下在切斷處進行基因編輯。

先導編輯酶不需要切斷DNA雙鏈，因此研究人員不必依靠他們無法控制的細胞DNA修復系統對被切斷的DNA鏈進行基因編輯。這意味着藉助先導編輯系統可以開發出基因突變相關遺傳性疾病的治療方法，而現有的基因編輯工具暫無法輕易做到這一點。

多用途基因編輯工具

此前，包括Liu在內的研究人員都認爲需要針對具體的每一種基因編輯類型（如插入、刪除、鹼基替換等）開發基因編輯工具。如果想要進行精準替換，我們的選擇非常有限。

之前還有一種技術被稱爲“鹼基編輯”，其精準程度可以和先導編輯媲美。該技術可以通過化學方法在不切斷DNA雙鏈的情況下，直接實現鹼基替換，比如將T換成A，G換成C——CRISPR–Cas9可做不到這一點[2]。這項技術也是由Liu開發出來的，有望用於治療某些單基因遺傳疾病，包括最常見的鐮狀細胞貧血。

但是，鹼基編輯不能解決由多鹼基突變引起的遺傳疾病，例如泰-薩克斯病（Tay-Sachs disease），這種通常具有致命性的疾病是由HEXA基因中誤插入4個DNA鹼基所致。

因此，Liu和他的同事開始着手開發新的精準基因編輯工具，他們對新體系的定位是靈活、易控制、能實現多種基因編輯功能。2018年，Liu的團隊想到了先導編輯：這是一個由多種酶組合而成的體系，其中就包括改良的Cas9酶，能夠在幾乎不破壞DNA雙鏈的情況下改變、刪除單個鹼基或插入小段DNA序列。

“這個技術非常棒。”Sontheimer說，“它能夠實現多種形式的基因編輯，這是一項重大的突破。”

現在需要做的是評估該基因編輯體系如何能夠在各種細胞和生物體內穩定運作。“這項研究只是生命科學領域一個長期目標的起點，而非終點，我們長久以來夢想着的是能夠根據需要，對生物體基因組的任何位點進行任何改變。”Liu說。