近期，哈佛大学化学家David Liu教授凭借碱基编辑（base editing）和引导编辑（prime editing）两项革命性基因编辑技术，荣获2025年"科学突破奖"。这两项技术突破了传统CRISPR-Cas9的局限，首次实现无需切割DNA双链的精准编辑，为遗传病治疗带来新希望。

图. 2025年生命科学突破奖获得者：David Liu

虽然研究者早已意识到基因组编辑在治疗疾病方面的巨大潜力，但这些技术在人类身上的应用历来受到安全问题的限制。即使是广为人知的CRISPR-Cas9系统也有局限性：这些分子剪刀会造成双链DNA断裂，细胞必须通过易出错的修复过程将其缝合在一起，从而导致不必要的缺失和基因组重排。碱基编辑和引导编辑是变革性的基因组技术，因为它们能在不造成双链DNA断裂的情况下改变基因组，从而提高精确度和安全性。

碱基编辑允许研究者改变基因组中精确位置的单个碱基，例如，将胞嘧啶转换为胸腺嘧啶，反之亦然。虽然这听起来像是一个小小的改变，但它在治疗遗传疾病方面有着巨大的潜力：到目前为止，研究者已经发现了大约3万个与人类疾病相关的单核苷酸多态性。2019年开发的引导编辑使研究者能够改变较长的DNA片段。引导编辑器中含有将其引导到基因组中特定位置的RNA，以及所需基因序列的RNA模板和逆转录酶，后者可根据RNA指令将新的DNA序列“写入”基因组。

刘教授研究团队开发的技术在极短的时间内从人类细胞发展到患者。该团队于2016年4月在《Nature》上首次发表了他们的碱基编辑研究成果，并于2022年5月启动了首次临床试验。刘教授说道：“这太神奇了，我的经验告诉我，如果你想出一个可以带来新疗法的新科学成果，那么从发表第一篇论文到它最终真正造福患者，可能需要15年甚至20年的时间……但当这项技术第一次应用于患者身上时，研究原始技术的学生还在实验室里。”

第一位接受碱基编辑细胞疗法治疗的患者是一名患有复发性T细胞白血病的13岁女孩；在治疗的一个月内，她的病情得到缓解，至今仍保持健康。

这些技术可能会彻底改变从前被忽视的罕见遗传病的治疗方式。刘教授表示，全球有数亿人患有某种遗传病。如果将这些疾病归为一种疾病，人们会说这是一场全球健康危机，是我们所有人都必须优先考虑的事情。但由于它们被细分为1万个不同的罕见病群体，我认为它很容易被忽视。

早期的靶向DNA技术研究

刘教授对以新颖方式将化学与DNA结合在一起的兴趣可以追溯到他早年读研究生时期，当时他尝试利用碱基配对来协调与DNA结合的小分子之间的化学反应。1999年，当他成为哈佛大学助理教授时，他的团队的首批项目之一是“绰号为Unifactor 2000的未来主义项目”。该项目的目标是通过将转录激活因子与RNA链融合来开发一种通用转录因子；然后可以对RNA序列进行“编程”，使其靶向基因组的特定区域。它将与两条DNA链形成一个三链体，并激活目标基因。

刘教授说：“事实证明，它在试管里可以正常工作，但在细胞里不行。因为三链体的形成过程本身在细胞条件下无法真正起作用。这是一个相当痛苦的教训。”

他毫不气馁，继续在其他方向上探索，在蛋白质定向进化方面取得了几项显著进展，利用变异和选择原理生产出具有特定功能的生物分子。然后在2012年，CRISPR这一重磅消息曝光，刘教授开始考虑如何将这项新技术融入到他实验室的生化实验生态系统中。

刘教授说：“从理论上讲，可编程化操作DNA的概念基础已经奠定，但如今我们正以全新的工具、创新化学方法，以及（理想情况下）实验室进化的蛋白质来重新审视这一领域，从而实现自然界从未进化出的功能。”

基因组编辑的新浪潮

2013年，Alexis Komor即将完成她在加州理工学院的化学博士学位，并开始规划她的博士后研究。在研究生院期间，她专注于核酸化学和DNA修复。随后，她申请加入了刘教授的实验室。

在她抵达剑桥之前，他们就开始集思广益，讨论如何将她在核酸方面的专业知识与强大的新型CRISPR-Cas9工具结合起来。Komor的化学背景帮助她从与该领域其他人不同的角度思考这些工具。Komor说：“生物学家长期以来一直利用双链断裂进行基因组编辑，而我当时非常天真。我想知道，如果我们尝试一些完全不同的方法，将两种不同的核酸相互作用蛋白结合在一起，会怎么样？”

刘教授的互动式指导风格帮助她解决问题，并以全新的视角思考问题。在他们定期安排的一对一会面中，Komor说：“他会提出一些非常有启发性的问题，让你对自己的项目进行深入思考。这对培养项目的主人翁意识也有很大帮助……这让我更加努力，对这个项目充满热情，真心希望它取得成功。”

为了创建首个碱基编辑器，Komor、刘教授和团队的其他成员将CRISPR-Cas9系统与一种名为胞嘧啶脱氨酶的酶融合。他们利用引导RNA将编辑机制引导至基因组的适当区域，Cas9在那里解开DNA，使脱氨酶能够将胞嘧啶转化为尿嘧啶。由于尿嘧啶通常仅存在于RNA中，因此细胞随后自然地将尿嘧啶转化为胸腺嘧啶。

刘教授说：“这是我们首次对我们选择的DNA序列进行从C到T的改变。”

当然，并非所有点突变都涉及在应为T的位置出现C。刘教授说：“因此，我们开发了第二个碱基编辑器，即腺嘌呤碱基编辑器。从统计学上讲，这是最重要的碱基编辑器，因为它可以纠正人类最常见的单碱基突变，即将C转换为T。”

这一项目由博士后研究员Nicole Gaudelli负责，本身也面临着一系列挑战。最初的碱基编辑器能够从自然界借用胞苷脱氨酶等分子工具。因此，在这种情况下，主要的局限性在于没有酶能够完成所需的化学反应……所以必须研发出自己的酶。

到2017年11月，刘教授团队已经研发出一种碱基编辑器，可以在人类细胞中以大约50%的效率将T转换为C，而且在编辑位点上不必要的基因插入或删除率非常低。

刘教授团队以及世界各地的其他研究者很快就将碱基编辑技术付诸实践。刘教授共同创立了Pairwise Plants公司，该公司将碱基编辑应用于农作物改良；以及Beam Therapeutics公司，该公司正在开发镰状细胞病、β地中海贫血和糖原累积病等遗传疾病的治疗方法。

其他公司和研究团体也在临床试验中使用碱基编辑技术。除了那位接受碱基编辑T细胞治疗白血病的女孩之外，1期临床试验的初步结果也表明，碱基编辑疗法在家族性高胆固醇血症和α-1抗胰蛋白酶缺乏症方面前景光明。

黄金时段：超越点突变

当碱基编辑技术应用于植物和人类时，刘教授和另一位博士后研究员Andrew Anzalone面临着一项新的挑战：同时编辑多个碱基。虽然许多遗传疾病与点突变有关，但其他一些疾病，例如Tay-Sachs病，则是由多个碱基对的插入或缺失引起的。为了解决这类突变，Anzalone和刘教授开发了一种名为“引导编辑”的技术。

刘教授说：“引导编辑不是对单个DNA碱基进行化学处理，而是对整个DNA片段进行搜索和替换，这赋予了它极大的灵活性。你可以纠正插入、删除，或任何类型的碱基替换。”

引导编辑器靶向基因组的特定区域，并使用逆转录酶根据其携带的一组RNA指令重写一段DNA。最初的版本能够重写长达数十个碱基对的DNA序列。2019年，也就是引导编辑技术首次发表于《Nature》的同一年，Anzalone和刘教授共同创立了Prime Medicine，这是一家生物技术公司，致力于开发治疗各种遗传疾病的疗法，包括影响免疫系统、肝脏和肺的疾病。

2024年4月，FDA批准了引导编辑疗法的首次临床试验，该疗法旨在治疗慢性肉芽肿病，这是一种会导致复发性危及生命的感染的遗传性免疫缺陷病。

然而，刘教授并不满足于现状。“既然我们有了这些人造的、经过基因改造的分子机器，它们可以重新排列DNA中的元素，在你选择的位点上将一个序列改变为另一个序列……我们希望开发一种方法，[尽可能]以临床相关的方式将这些机器送入更多不同的组织类型中。”

刘教授的团队正在探索将碱基编辑器和引导编辑器递送到心脏、肝脏和大脑等组织的不同方法，采用多种策略，包括病毒载体和工程病毒样颗粒。在小鼠模型中，他们已成功治疗朊病毒病和脊髓性肌萎缩症等严重的中枢神经系统疾病。

自首次发表引导编辑技术以来，刘教授也一直在努力改进和扩展这项技术的应用。虽然有些疾病是由每个人体内同一位置的相同突变引起的，但大多数遗传疾病并不那么一致——例如，Stargardt病和囊性纤维化可能由特定基因内数百甚至数千个不同的突变引起。

为了解决这个问题，刘教授想要开发一种突变无关疗法：他不想为每个突变创建一个单独的编辑器，而是想替换整个受损的基因。这意味着，携带数百种突变中的任一的患者都可以接受单一疗法的治疗。

这需要替换比原始引导编辑器所能处理的更长的DNA片段，因此刘教授的团队开发了一种升级版本，称为引导编辑辅助位点特异性整合酶基因编辑（PASSIGE）。使用这种策略，引导编辑器会为实验室进化的重组酶插入一个“着陆位点”，该重组酶可以携带（和插入）超过10 kb的DNA序列，从而能够在体外实验中完全替换有缺陷的基因。

尽管刘教授因其在该领域的变革性贡献而获得表彰，但他强调，这些发现并非他独自完成的。他说：“我认为，表彰领导这项工作的学生们同样重要。我非常重视我的学生，因为我尊重他们的努力、他们的才华以及他们每天教给我的知识。”

本文整理自：https://www.the-scientist.com/david-liu-wins-2025-breakthrough-prize-for-base-editing-and-prime-editing-72888

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