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復(fù)旦大學(xué)附屬兒科醫(yī)院副院長翟曉文教授介紹地貧發(fā)生原理

中國約有30萬的重型和中間型地中海貧血患者，大多分布在南方地區(qū)。重型β-地中海貧血往往在出生3個(gè)月到6個(gè)月后出現(xiàn)貧血，需要依賴終身的輸血治療，否則一般存活年齡不超過10歲。而長期的輸血又會(huì)誘發(fā)鐵過載，鐵過載就會(huì)導(dǎo)致一系列的并發(fā)癥，因此還需要聯(lián)合去鐵治療。

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廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院主任醫(yī)師賴永榕教授介紹：“造血干細(xì)胞移植是目前唯一的根治方法，但是由于供者的缺乏以及患者年齡增大等的一系列問題，并不是所有的重型地貧患者都可以通過移植能夠達(dá)到治愈的。基因編輯技術(shù)是治療遺傳性疾病的根本思路。基于CRISPR/Cas9的一個(gè)基因編輯技術(shù)針對地中海貧血的全新療法已被開發(fā)上市。”

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CRISPR基因編輯技術(shù)的來源

后來科學(xué)家從中汲取了靈感，只需設(shè)計(jì)針對特定序列的導(dǎo)向RNA，便能引導(dǎo)Cas蛋白到需要編輯的區(qū)域，對包括人類在內(nèi)的各種物種的DNA雙鏈進(jìn)行定點(diǎn)切割，并利用細(xì)胞自身的DNA修復(fù)機(jī)制修復(fù)切口，實(shí)現(xiàn)在特定位置的基因編輯。科學(xué)家設(shè)計(jì)的導(dǎo)向RNA就相當(dāng)于是在基因的文本文檔中的搜索欄中填寫了一段目標(biāo)內(nèi)容，讓Cas蛋白可以在定位的文本處觸發(fā)編輯。

然而，Cas蛋白切斷DNA雙鏈?zhǔn)谴嬖谝欢L(fēng)險(xiǎn)的。陳佳教授解釋，在切斷DNA后，雖然細(xì)胞會(huì)嘗試自我修復(fù)，在某些情況下，基因的修復(fù)也可能出現(xiàn)大片段染色體缺失、染色體重排等問題。此外，在目標(biāo)編輯區(qū)域外，基因中可能還存在與導(dǎo)向RNA序列相似的其他片段，使得導(dǎo)向RNA、Cas9復(fù)合物會(huì)在這些非目標(biāo)的位點(diǎn)錯(cuò)誤識別，引發(fā)DNA雙鏈斷裂，從而導(dǎo)致脫靶效應(yīng)。除了這些安全性的問題，CRISPR的治療范圍也相對狹窄。在眾多遺傳性疾病中，將近60%都是由單個(gè)堿基突變造成的，只有很小一部分的疾病可以利用CRISPR技術(shù)進(jìn)行基因治療。

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CRISPR切斷DNA雙鏈后帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)

為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們一方面在不斷地改善CRISPR技術(shù)，另一方面也在嘗試另一種思路，即避免DNA雙鏈斷裂再修復(fù)的途徑，而是直接將錯(cuò)誤的堿基改寫成正確的，從源頭上解決問題，于是，堿基編輯技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

相較于CRISPR技術(shù)，堿基編輯的特點(diǎn)在于一方面既保留了導(dǎo)向RNA與Cas核酸酶的輔助定位功能，另一方面，對Cas核酸酶進(jìn)行了改造，防止它造成雙鏈斷裂，并新引入了特定的脫氨酶作為效應(yīng)器進(jìn)行編輯。脫氨酶是一種生物催化劑，可以催化堿基發(fā)生脫氨反應(yīng)，去除氨基團(tuán)，從而改變它們的分子結(jié)構(gòu)，重塑特定堿基。經(jīng)過工程化處理的Cas核酸酶會(huì)在未發(fā)生編輯的單鏈上造成一個(gè)缺口，誘導(dǎo)它使用已編輯過的單鏈作為模板進(jìn)行修復(fù)。從CRISPR到堿基編輯的迭代就好像是軟件的版本升級，可以精確到糾正錯(cuò)別字。

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堿基編輯技術(shù)化“刀”為“筆”

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然而，堿基編輯脫靶的安全性隱患仍然存在，大量科學(xué)家團(tuán)隊(duì)正針對不同的問題提出各自的解決方案。陳佳教授團(tuán)隊(duì)提出了變形式堿基編輯系統(tǒng)tBE（transformer Base Editor）作為優(yōu)化策略。

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陳佳教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了高精準(zhǔn)的變形式堿基編輯系統(tǒng)tBE

“變形式堿基編輯系統(tǒng)與傳統(tǒng)堿基編輯器之間最大的不同，就在于我們給堿基編輯器加了一把鎖，在非目標(biāo)區(qū)域內(nèi)堿基編輯器會(huì)一直處于鎖定的狀態(tài)，只有在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)鎖才會(huì)被打開并開啟編輯。”

陳佳教授向我們解釋了tBE的“鎖”-“鑰匙”的巧妙設(shè)計(jì)原理，“所謂的鎖，其實(shí)就是脫氨酶的抑制結(jié)構(gòu)域。我們發(fā)現(xiàn)，有些脫氨酶具有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域，其中一個(gè)是催化結(jié)構(gòu)域，主要負(fù)責(zé)催化堿基發(fā)生脫氨反應(yīng)；另一個(gè)結(jié)構(gòu)域可以有效抑制前者的催化活性，我們把它叫做抑制結(jié)構(gòu)域。這啟發(fā)我們可以將脫氨酶的雙重結(jié)構(gòu)利用起來，在需要的時(shí)候打開它的脫氨功能，而在不需要的時(shí)候就關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的調(diào)控。”

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tBE在非靶向位點(diǎn)時(shí)編輯功能被“鎖”上

“我們又引入了一種新的分子——蛋白酶來作為鑰匙。這種酶可以切割連接催化結(jié)構(gòu)域與抑制結(jié)構(gòu)域的特異性肽段，從而實(shí)現(xiàn)開鎖。為了增加精確度，我們?nèi)藶榈?strong>將蛋白酶這把鑰匙拆成了兩個(gè)部分，它們需要配對成功才能開鎖，自然也就更安全了。”

為了確保鑰匙找到鎖，陳佳教授團(tuán)隊(duì)給“鑰匙”和“鎖”分別裝了一個(gè)“適配器”，能夠指引它們在目標(biāo)位點(diǎn)處找到兩條導(dǎo)向RNA鏈。“只有當(dāng)兩條導(dǎo)向RNA鏈共同定位到同一個(gè)地點(diǎn)時(shí)，組合成功的鑰匙和鎖才能夠相遇。當(dāng)鑰匙合并后打開鎖，整個(gè)編輯系統(tǒng)便能開始運(yùn)行。”陳佳教授說道。

這相當(dāng)于要達(dá)到多重條件才能改動(dòng)文本，可以避免因?yàn)樗阉鞒龆嗵庮愃贫温涠鴮?dǎo)致的錯(cuò)誤修改，給編輯生命代碼的軟件加了一次安全更新。

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tBE在靶向位點(diǎn)時(shí)編輯功能才會(huì)開啟，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效的編輯

正序生物首席執(zhí)行官牟曉盾博士已經(jīng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了以tBE為基礎(chǔ)的堿基編輯藥物CS-101注射液，并且成功治愈了多位海內(nèi)外重型β-地中海貧血患者。

牟曉盾博士向我們解釋了堿基編輯藥物CS-101注射液的治療原理：“針對β-地中海貧血，我們會(huì)首先采集患者自體造血干細(xì)胞，并對其中的特定區(qū)域進(jìn)行堿基編輯，再將經(jīng)過編輯的造血干細(xì)胞回輸至患者體內(nèi)。”

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正序生物CEO牟曉盾博士介紹全球首例堿基編輯療法治愈血紅蛋白病的成功案例

目前，CS-101注射液已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，“我們治愈的首位患者也是全球首次通過堿基編輯療法治愈血紅蛋白病的成功案例。截至2025年12月，該患者已擺脫輸血依賴超過兩年時(shí)間，回歸到了正常的學(xué)習(xí)生活中。”牟曉盾博士自豪地說道。

期待基因編輯技術(shù)未來能應(yīng)用在更廣泛的疾病領(lǐng)域，普惠全球患者和家庭！