撰文 | 王聪
单碱基突变 ，占据了人类已知的致病基因突变的一半以上， 碱基编辑器 （Base Editor）是由可编程 DNA 结合蛋白与碱基修饰酶融合，在不导致DNA双链断裂的情况下，实现精确修改基因组中的单个碱基。
在2016年和2017年， 刘如谦 （David Liu）团队先后开发了胞嘧啶碱基编辑器 （CBE），能够将C•G转换为T•A，以及腺嘌呤碱基编辑器 （ABE），能够将A•T转换为G•C，这也是目前的两大类碱基编辑器。然而，对于C•G到G•C的碱基颠换突变，CBE和ABE通常束手无策。
2020年7月20日， Nature Biotechnology 同期发表两篇论文，报道了可实现C•G转换为G•C的碱基编辑新工具—— CGBE ，CGBE具有广泛的科学价值和基因治疗潜力，但其编辑结果难以预测，而且编辑效率和产品纯度往往较低。
2021年6月28日， 刘如谦 （David Liu）团队等在 Nature Biotechnology 期刊发表了题为：Efficient C•G-to-G•C base editors developed using CRISPRi screens, target-library analysis, and machine learning 研究论文。
该研究描述了一套与 机器学习 模型配套的工程化碱基编辑工具 CGBE ， 能够实现高效率、高纯度的C•G到G•C碱基编辑，实现了对CGBE的全面改造升级。
首先研究团队使用针对DNA修复基因的 CRISPR干扰 （CRISPRi）筛选，确定了影响C•G到G•C编辑结果的因素，在此基础上开发出了多个新的CGBE。然后通过靶点文库分析和机器学习，开发出了能够准确预测CGBE编辑结果的预测模型CGBE-Hive。
理解和控制基因组编辑实验的结果，是实现有针对性的、精确的基因组操作的重要挑战。
刘如谦 团队的能够研究了颠换碱基编辑的分子决定因素，包括脱氨酶和Cas效应结构域以及许多DNA 修复蛋白的影响，并利用这些发现来设计新的CGBE。
然后，研究团队在哺乳动物细胞中10638个基因组整合目标位点的库中表征了10个有前途的CGBE，并训练了机器学习模型，使用这些数据准确预测编辑结果的纯度和产量。
实验结果表明，这些CGBE能够以>90%的精度 （平均 96%）和高达70%的效率（平均 14%）校正546个与疾病相关的颠换单核苷酸突变（SNV）。
总的来说，该研究通过使用针对DNA修复基因的 CRISPR干扰 （CRISPRi）筛选，确定了影响C•G到G•C编辑结果的因素，在此基础上开发出了多个新的CGBE。然后通过靶点文库分析和机器学习，开发出了能够准确预测CGBE编辑结果的预测模型CGBE-Hive。
这些发现促进了我们对碱基颠换编辑结果的理解，并开发出全面升级的CGBE，这将大大提高碱基编辑技术的范围和效用。
单碱基编辑发展及应用
2016年4月20日， 刘如谦 等人在 Nature 发表论文， 首次可以通过可靠、可预测的方法，实现对细胞基因组中的单个碱基进行修改 。
2017年10月25日， 刘如谦 等人进一步升级，开发出了 碱基编辑器 （Base Editor），将dCas9和TadA（腺嘌呤脱氨酶）整合，能够在不造成DNA双链断裂的情况下，将A-T碱基对转换为G-C碱基对，实现对基因组点突变的定点矫正修复。
许多遗传性疾病是由单个碱基突变导致的，因此，单碱基编辑器的出现，为治疗许多单碱基遗传病提供了强大的方法， 刘如谦 也因此被 Nature 评为“ 2017年影响世界十大科学人物”。
2019年3月1日， Science 杂志同期发表两项分别来自中科院神经所 杨辉 课题组和中科院遗传发育所 高彩霞 课题组的研究论文，这两篇论文均表明， 单碱基编辑器会导致许多不必要的和潜在危险的“脱靶”遗传变化。
这一发现为单碱基编辑的临床应用蒙上了一层阴影。
好在此后不久， 刘如谦 、 J. Keith Joung 、 杨辉 等各自发表多项研究成果， 对单碱基编辑器做了大量改进，大大降低了其脱靶性 。
2020年2月， 刘如谦 、 张锋 、 J. Keith Joung 等人联合创立单碱基编辑公司 Beam Therapeutics 在美国纳斯达克成功上市，该公司致力于通过单碱基编辑技术开发遗传病基因疗法。
2020年6月3日， 刘如谦 等在 Science Translational Medicine 期刊发表封面论文，通过 双AAV载体递送单碱基编辑器 ，成功恢复Tmc1基因隐性突变导致的完全耳聋小鼠的听力。这也是 人类首次通过基因编辑技术解决隐性遗传突变导致的遗传疾病 。
2021年1月6日， 刘如谦 等人在 Nature 杂志发表研究论文。 通过AAV病毒递送单碱基编辑工具ABE对早衰症小鼠进行基因治疗 ，实验结果表明，ABE能够直接逆转早衰小鼠模型中的致病点突变，明显改善多种症状，仅单次注射就能显著延长小鼠模型寿命，且没有可检测到的脱靶问题。
2021年6月2日， 刘如谦 等人在 Nature 发表研究论文， 首次通过单碱基编辑技术修复镰状细胞病致病突变 。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41587-021-00938-z