基因编辑最新成果「无需切割DNA也能自由替换碱基」是如何实现的？

这是一个庞大的工程，首先通过蛋白质工程对腺嘌呤脱氨酶进行改造，因为现在已发现的发现腺嘌呤脱氨酶不可用。腺嘌呤脱氨酶能够将腺嘌呤A脱氨转变为次黄嘌呤I（下图b），I在被细胞识别的时候识别为G，所以最原始的基因组上编辑的直接结果并没有真正的实现A•T碱基对转换成G•C，而是I•T碱基对，经过DNA修复或者复制后，才是G•C（下图c），编辑过程如下。

然而目前发现的腺嘌呤脱氨酶只有transfer RNA即tRNA才有活性，在正常的DNA链上没有活性。因此作者通过蛋白质工程对大肠杆菌E Coli的腺嘌呤脱氨酶E. coli TadA（ecTadA）进行了改造，人工进化得到能够对正常双链DNA上腺嘌呤进行脱氨的酶。突变细菌能够将抗生素抗性基因中的腺嘌呤转化为肌苷，以抵抗抗生素，存活下来的细菌编码了一种能够在DNA上进行腺素-肌苷转换的腺嘌呤脱氨酶。这个工作量是极大的，需要对蛋白质的结构知道得非常精细，并且了解结构与功能之间的关系。

然后将改造后的TadA, Cas9外加一段识别靶位点的 guide RNA就组成了一个腺嘌呤碱基编辑器( adenine base editor，ABE)编辑系统。这篇文章的作者写道:“定向进化和蛋白质工程得到的第七代 ABEs(ABE7.10)，它能有效地将A-T碱基转化为G-C碱基对（人类T细胞中效率为50%），非常低的插入缺失突变（indels）率(通常是0.1%)。ABEs引入点突变比现有的Cas9核方法更有效、更干净，它比Cas9产生更少的非目标基因组修改，并且可以在人类细胞中进行疾病纠正或抑制疾病的突变。”

ABE编辑系统可以直接修复人类基因组中单碱基突变的类型，这大约占人类疾病相关点突变的一半。这些突变与遗传失明、镰状细胞性贫血、代谢性疾病、囊性纤维化等疾病。张锋也表示：这个新系统是“基因组工程工具箱里真正令人兴奋的补充”。

参考资料：Gaudelli N M, Komor A C, Rees H A, et al. Programmable base editing of A•T to G•C in genomic DNA without DNA cleavage[J]. Nature, 2017, 551(7681):464.