TED演讲 | David Liu:纠正DNA错误,基因疗法从科幻变为现实
药明康德 · 2019/04/28
多亏了一群孜孜不倦的学生,他们有足够的创造力来工程化我们自身可以设计的东西,有足够的勇气来进化我们自身不能实现的东西,碱基编辑已经开始将这种科幻小说式的狂想转变成一个令人兴奋的新的现实

本文转载自“药明康德”。

多亏了一群孜孜不倦的学生,他们有足够的创造力来工程化我们自身可以设计的东西,有足够的勇气来进化我们自身不能实现的东西,碱基编辑已经开始将这种科幻小说式的狂想转变成一个令人兴奋的新的现实,在这个现实中,我们给予孩子的最重要的礼物可能不仅仅是30亿个DNA字母,还有保护和修复他们的方法。

Thanks to a relentlessly dedicated group of students who were creative enough to engineer what we could design ourselves and brave enough to evolve what we couldn't, base editing has begun to transform that science-fiction-like aspiration into an exciting new reality, one in which the most important gift we give our children may not only be three billion letters of DNA, but also the means to protect and repair them.


演讲实录

你的父母送给你的最重要的礼物就是组成你基因组的两组30亿个字母的DNA。但是就像任何含有30亿组成部分的东西一样,这份礼物是脆弱的。阳光,吸烟,不健康的饮食,甚至你细胞自发的错误,都会导致你的基因组发生改变。DNA中最常见的变化是一个字母或碱基的简单交换,比如C和一个不同的字母,如T、G或A交换。每一天,你体内的细胞都会积累数十亿个这样的单字母交换,这也被称为“点突变”。

这些点突变大多是无害的。但时不时地,点突变会破坏细胞的重要功能,或导致细胞以有害的方式产生错误行为。如果这种突变是从你的父母那里遗传的,或者在你发育早期的时候发生的,那么结果就是你的许多或者所有的细胞都包含这种有害的突变。然后你就会成为亿万遗传疾病患者中的一员,比如镰刀型红血球疾病、早衰症、肌肉萎缩症或家族黑蒙性白痴病。

由点突变引起的严重遗传疾病尤其令人沮丧,因为我们常常知道引起疾病的确切的单个字母的改变,理论上其实可以治愈这种疾病。数以百万计的人患有镰刀型红血球疾病,只因为他们的血红蛋白基因的两个拷贝都有一个A到T的点突变。早衰症患儿出生时基因组中某个特定位点有一个T,而一般人的基因组中是一个C,这种突变会带来毁灭性的后果,那就是这些出色的、聪明的孩子很快就会衰老,并在14岁左右去世。纵观医学史,我们还没有一种方法能够有效地纠正生命系统中的点突变,将导致疾病的T变回C,也许直到今天也是如此。因为我的实验室最近成功地开发了这样一种能力,我们称之为“碱基编辑”。

我们如何发展碱基编辑的故事实际上开始于30亿年前。我们认为细菌是感染源,但细菌本身也容易被感染,尤其是被病毒感染。所以大约30亿年前,细菌进化出一种防御机制来对抗病毒感染。这种防御机制现在更广为人知的名称是CRISPR。而CRISPR中的弹头就是这种紫色的蛋白质,它像分子剪刀一样剪切DNA,把双螺旋结构一分为二。如果CRISPR不能区分细菌和病毒DNA,它就不会是一个非常有用的防御系统。

但CRISPR最令人惊异的特点是,剪刀可以被编程为只搜索、绑定和剪切特定的DNA序列。因此,当一个细菌第一次遇到病毒时,它可以储存病毒DNA的一小段,作为一个程序,用来指导CRISPR剪刀在未来感染期间切断病毒DNA序列。切割病毒的DNA会扰乱被切割的病毒基因的功能,从而扰乱病毒的生命周期。

六年前,包括Emmanuelle Charpentier、George Church、Jennifer Doudna和张锋在内的杰出研究人员向我们展示了CRISPR剪刀是如何被编程来剪切我们选择的DNA序列,包括人的基因组序列,来取代细菌选择的病毒DNA序列。但结果其实是相似的。在人的基因组中剪切一个DNA序列也会扰乱剪切基因的功能,因为这会造成在剪切位点插入和删除随机的DNA字母混合物。

单纯对基因的干扰在某些应用中可能非常有用。但对于大多数引起遗传性疾病的点突变来说,仅仅切除已经变异的基因对病人没有好处,因为变异基因的功能需要恢复,而不是进一步破坏。因此,切断这种导致镰刀型红血球疾病的已经突变的血红蛋白基因,不会恢复患者制造健康红细胞的能力。虽然我们有时可以在细胞中引入新DNA序列来取代切割位点周围的DNA序列,但不幸的是,这个过程在大多数类型的细胞中都不起作用,而且受损的基因结果仍然占主导地位。

像许多科学家一样,我一直梦想着我们能够治疗甚至治愈人类遗传性疾病的未来。但是我认为,现在还缺乏方法可以修复引起大多数遗传病的点突变,这是一个实现梦想的主要的障碍。

作为一名化学家,我开始和我的学生们一起研究直接在单个DNA碱基上进行化学反应的方法,来真正修复,而不是破坏,引起遗传疾病的突变。我们努力的结果就是被称为"碱基编辑器"的分子机器。碱基编辑器使用CRISPR剪刀的可编程搜索机制,但他们没有切割DNA,而是直接将一个碱基转换成另一个碱基,而不会破坏基因的其余部分。因此,如果你把自然产生的CRISPR蛋白质想象成分子剪刀,你可以把碱基编辑器想象成铅笔,它可以直接将一个DNA碱基的原子结构重新排列成另一个碱基,从而将一个DNA碱基改写成另一个DNA碱基。

碱基编辑器在自然中并不存在。事实上,我们设计了第一个碱基编辑器,如图所示,三个不同的蛋白质,它们甚至不是来自同一个生物体。我们首先采取CRISPR剪刀和禁用能力的方式剪切DNA,同时保留其能力,从而可以按照编程好的方式搜索和结合目标DNA序列。对于那些失去功能的CRISPR剪刀,如蓝色所示,我们附加了第二个红色的蛋白质,它对DNA的碱基C进行化学反应,将其转化为一个像T一样的碱基。最终的结果是一个由三部分组成的基因工程蛋白质,首次允许我们在基因组的特定位置将C转化为T。

但即使在这一点上,我们的工作也只完成了一半。因为为了在细胞中保持稳定,DNA双螺旋的两条链必须形成碱基对。而且因为C只与G配对,T只与A配对,仅仅在一条DNA链上将C变为T就会产生错配——细胞必须通过决定取代哪条DNA链来解决两条DNA链之间的分歧。我们意识到,我们可以进一步设计这个由三部分组成的蛋白质,将未编辑的链标记为要被修饰的链。这个小缺口使细胞在重新构建有缺口的链时将未编辑的G替换为A,从而完成了原来的C-G碱基对到稳定的T-A碱基对的转换。

经过实验室原博士后Alexis Komor几年的努力工作,我们成功地开发出了第一类碱基编辑器,它可以在我们选择的目标位置上将C碱基转换为T碱基,将G碱基转换为A碱基。在35000多个已知的与疾病相关的点突变中,该首个碱基编辑器可以逆转的两种突变加起来大约占14%或5000个致病点突变。但是要纠正最大比例的致病点突变,就需要开发第二类碱基编辑器,一种可以将A转换为G或T转换为C的编辑器。在实验室原博士后Nicole Gaudelli的带领下,我们着手开发第二类基本编辑器,理论上,它可以纠正近一半的致病点突变,包括导致快速老化疾病早衰症的突变。

我们意识到,我们可以再次借鉴CRISPR剪刀的目标机制,将新的碱基编辑器带到基因组中的正确位置。但是我们很快就遇到了一个难以置信的问题,也就是说,没有已知的蛋白质可以在DNA中将A转化为G或T转化为C。面对这样一个严重的障碍,大多数学生可能会寻找另一个项目,或者另一个研究顾问。(笑声)但是Nicole同意继续执行一个当时看起来野心勃勃的计划。鉴于缺乏一种自然产生的蛋白质来进行必要的化学反应,我们决定在实验室中进化出我们自己的蛋白质,从一种在RNA上进行相关化学反应的蛋白质开始,将A转化为一种类似G的碱基。我们建立了一个达尔文式的适者生存选择系统,该系统探索了数千万种蛋白质变异,只允许那些能够产生必要化学反应的罕见变异存活下来。我们最终得到了这里展示的一种蛋白质,第一种可以将DNA中的A转化为类似于G的碱基。当我们把这种蛋白质连接到失效的CRISPR剪刀上时(如蓝色所示),我们制作了第二种碱基编辑器,它可以将A转化为G,然后使用我们在第一种碱基编辑器中使用的相同的链切取策略,在细胞重新进行切割时,用C取代未经编辑的T,从而完成了A-T碱基对到G-C碱基对的转化。

我们在三年前和一年半前开发了这两类碱基编辑器。但即使在这么短的时间内,碱基编辑已经被生物医学研究社区广泛使用。应全球1000多名研究人员的要求,碱基编辑已经被应用了6000多次。通过在细菌到植物到老鼠再到灵长类动物等生物体身上使用碱基编辑,已经有一百篇科学研究论文被发表了。

虽然基因编辑对于进入人类临床试验来说还为时尚早,但是科学家们已经成功地实现了一个关键的里程碑,即通过在动物身上使用基因编辑器来纠正引起人类遗传疾病的点突变。例如,我实验室另外两名学生Luke Koblan和Jon Levy领导的一个科学家合作团队,最近利用一种病毒将第二碱基编辑器移植到患有早衰症的老鼠体内,将导致疾病的T碱基变回C碱基,并在DNA、RNA和蛋白质水平上逆转其后果。

基因编辑器也被用在动物身上,通过直接纠正引起或促成该疾病的点突变,来逆转酪氨酸血症、乙型海洋性贫血分子、肌肉萎缩症、苯丙酮尿症、先天性耳聋和一种心血管疾病的后果。在植物中,碱基编辑器被用来引入单个DNA字母的变化,这可能会培育出更好的作物。

生物学家已经使用基本编辑器来探索单个字母在与癌症等疾病相关的基因中所起的作用。我共同创办的两家公司,Beam Therapeutics和Pairwise Plants,正在使用基因编辑技术来治疗人类遗传疾病和改善农业。所有这些基础编辑的应用都发生在不到三年的时间里:在科学的历史时间尺度上,只是一眨眼的功夫。

在碱基编辑能够充分发挥其改善遗传性疾病患者生活的潜力之前,还有更多的工作要做。虽然这些疾病中的许多被认为是可以通过纠正器官中哪怕是一小部分细胞的潜在变异来治疗的,但是将分子机器如碱基编辑器送入人体的细胞中可能是一个挑战。利用自然界的病毒来传递碱基编辑器,而不是传染感冒的分子,这是已经被成功应用的几种有前途的传播策略之一。继续开发新的分子机器,使所有剩余的方法转换一个碱基对到另一个碱基对,并最大限度地减少细胞中非目标位置的不必要的编辑是非常重要的。与其他科学家、医生、伦理学家和政府合作,最大限度地提高基础编辑技术得到深思熟虑、安全和道德应用的可能性,仍然是一项至关重要的义务。

尽管存在这些挑战,如果你仅仅在五年前告诉我,全球的研究人员将使用实验室进化的分子机器,在人类基因组的特定位置高效地将一对碱基对直接转换为另一对碱基对,并且其他结果很少,我会问你:“你在读什么科幻小说?”多亏了一群孜孜不倦的学生,他们有足够的创造力来工程化我们自身可以设计的东西,有足够的勇气来进化我们自身不能实现的东西,碱基编辑已经开始将这种科幻小说式的狂想转变成一个令人兴奋的新的现实,在这个现实中,我们给予孩子的最重要的礼物可能不仅仅是30亿个DNA字母,还有保护和修复他们的方法。

谢谢大家。


▲刘如谦(David R. Liu)是Richard Merkin教授,Merkin医疗保健转型技术研究所所长,哈佛大学和麻省理工学院博士学院副院长; Thomas Dudley Cabot自然科学教授,哈佛大学化学与化学生物学教授;以及霍华德休斯医学研究所调查员。同时,他也是药明生物公司科学顾问委员会成员(图片来源:TED官网)

参考资料:

[1] David R. Liu. (2019). Can we cure genetic diseases by rewriting DNA?Retrieved Apr 29, 2019,


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