摘 要
眼下，楊輝團隊已開始嘗試以小鼠和猴為模型，用基因編輯研究治療罕見病。在楊輝看來，相對於漫長、艱難的新藥研發進程，基因編輯技術能更快為罕見病患者找到治癒的希望。
記者 | 陳 冰
基因編輯是21世紀生命科學最重要的技術之一。2012年，號稱「基因剪刀手」的CRISPR/Cas9技術問世，通過對相關DNA進行切割和編輯 ，從而起到抵禦病毒及質粒入侵的作用。
但是，針對單個基因的編輯行為，會不會導致其他地方發生意外，出現組織異常生長、引發癌症等問題，至今仍然是個謎。尤其是使用CRISPR進行人體治療時，很難精確地知道其可能帶來的影響範圍，有的細胞可能會被修復，而有些則不會，這種「馬賽克」效應充滿了未知。
隨後出現的單鹼基編輯技術BE3則是被寄予厚望的高精度基因編輯技術。由於單鹼基基因編輯器不引入DNA斷裂，過去一直被認為比傳統方法更加高效而安全，成為脊髓性肌營養不良、地中海貧血、血友病、視網膜黃斑變性、遺傳性耳聾等罕見病基因治療的熱門工具之一。
2019年3月，中科院腦科學與智能技術卓越創新中心的楊輝團隊在Science雜誌上發表論文稱，單鹼基編輯技術BE3存在全基因組範圍內的DNA脫靶效應，為超速行駛的基因編輯技術踩下「剎車」。
時隔3個月，6月10日深夜11點，英國《自然》雜誌在線發表楊輝團隊的論文《DNA鹼基編輯技術引起RNA脫靶及其通過突變消除RNA活性》，指出單鹼基編輯技術除了會造成DNA脫靶效應，還存在無法預測的RNA脫靶——不僅BE3系統存在大量的RNA脫靶，之前被認為在基因組水平不產生脫靶的ABE系統也存在RNA脫靶。此外，團隊還發現很高比例的RNA脫靶發生在癌基因和抑癌基因上，如果用於臨床治療有較大的致癌風險。
這項發現再次證明：單鹼基基因編輯技術在當下是非常不完善的，它會導致大量的癌基因和抑癌基因突變，其安全性需要審慎考量。
基因剪刀手的脫靶之痛
我們知道基因就是有遺傳效應的DNA片段。人類的DNA由31億多個鹼基對組成，這31億多個鹼基對是由ATCG4種鹼基有機地排列組合而成。
人類大概有20000到25000個基因。基因任何的微小變化都可能會改變我們重大的功能性狀。在一個極端情況下，即便是一個鹼基的變化都能導致基因功能的改變或者缺失，導致疾病。而我們幾乎有50%的單基因的遺傳病，都是由於一個鹼基變化導致的。
科學家設想是否能有一把鑷子把這個鹼基給換掉，這樣就可以達到疾病治療的目的。想法是非常簡單，但是要實現起來非常難。為什麼呢？
首先DNA非常小，只有2納米，比頭髮絲還要細200倍，所以用一個鑷子來操作是非常非常困難的。另外只有一個鹼基的變化，但是我們基因組有31億個鹼基對，要找到它都非常困難，並且找到的同時是否會引起另外31億個鹼基的破壞呢？這也是無法得知的。
所以科學家一直在追求一種方法，我們稱之為「基因編輯」——就是在特定的片段進行DNA小片段的插入、敲除或者替換。
要實現這個目的要有三個過程。
首先是識別，需要找到它，找到特定的位置，特定的突變，這是最關鍵的部分。找到這個突變之後就要將突變給剪掉。剪掉之後再提供一個正常的模板，然後進行修復。
而基因編輯技術，最主要的用途是用來治療各種各樣的疾病，包括癌症、心血管疾病、老年痴呆，以及一些感染性的疾病。其中基因編輯最重要的一個應用，就是可以治療單基因遺傳性的罕見病。
罕見病其實並不罕見，全球目前發現的罕見病有7000多種，總人口超過3億，比腫瘤總的人口還要多。而大部分是單基因的遺傳型疾病，有一半發生在兒童時期，一旦發病是伴隨終生的，患者痛苦不堪。90%以上的這一類疾病都沒有任何的治療方式。這個情況在中國尤為明顯，有21種罕見病面臨著國外有藥但中國沒有藥的情況。
無論是CRISPR/Cas9技術，還是單鹼基編輯技術，這兩種技術應用於臨床的最大瓶頸就是脫靶問題。
楊輝指出，我們的目標位點只有一個，但是脫靶的位置有31億個，所以脫靶的概率是非常高的。如果脫靶發生在癌基因或者抑癌基因之上，它就會導致癌症的產生。
如何高效地避免脫靶是一方面，另外一方面就是如何用高效敏感的技術檢測到這些脫靶。楊輝團隊今年3月份建立了一種能夠全基因組範圍內高效靈敏地檢測脫靶的方法，這個發現一經發表在Science雜誌上之後，有兩家公司正在推向臨床的兩個基因藥物項目被迫終止了。
「大家可以想像，一旦它們上了臨床之後，會對細胞造成大量的脫靶，可以造成20倍於正常狀態的基因突變！病人早期可能可以受益，但是過了幾年之後可能都會變成癌症的高發人群。這種安全性的缺失是非常可怕的。」楊輝說。
新技術誕生！
雖然楊輝團隊為基因編輯技術踩下了剎車，與此同時，他們還帶來了一個好消息——通過點突變的方式對三種單鹼基編輯工具進行突變優化，使其完全消除RNA脫靶的活性，從而獲得三種更高精度的單鹼基編輯工具，為單鹼基編輯基礎進入臨床治療提供了重要的基礎。
▲楊輝在介紹新一代基因編輯技術。中國科學院科技攝影聯盟 攝/謝震霖
「大部分基因編輯技術都是以病毒為載體，將一把把『小剪刀』運輸到細胞內。」楊輝解釋，儘管有導航分子，但更多「小剪刀」處於誤打誤撞的脫靶狀態，誤傷許多RNA。
通俗一點講，就是搭載「小剪刀」的蛋白有一些會與RNA「拉手」的結構——這樣「小剪刀」就會被蛋白「誤導」去修改RNA。楊輝團隊嘗試讓這些結構「沉默」，最終獲得能夠完全消除RNA脫靶並且維持DNA活性的高精度單鹼基編輯工具。
對於楊輝團隊的工作，評審專家給出了高度評價：
「總的來說，這是一項做得很好的研究，並有適當的對照控制。提供了減少的RNA脫靶的單鹼基編輯器，對基因編輯領域具有重要價值（Overall, this is a well-done study withproper controls. The resulting constructs that offer reduced off-target RNAediting will be of great value to the genome editing field）」。
「這是該領域的重要發現，並且突變體提供了有用的解決方案。實驗做得很好，結果令人信服。」 （Overall,this is an important finding for the field, and the variants provide a usefulsolution. The experiments are well done and the results are convincing.）」
毫無疑問，楊輝團隊發現的這三種更安全、更高精度的新一代基因編輯工具，將為基因編輯應用於臨床治療提供重要安全保障。
眼下，楊輝團隊已開始嘗試以小鼠和猴為模型，用基因編輯研究治療罕見病。在楊輝看來，相對於漫長、艱難的新藥研發進程，基因編輯技術能更快為罕見病患者找到治癒的希望。
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