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基因編輯可以說是21世紀最偉大的科學成就之一。第三代CRISPR/Cas9基因編輯技術在DNA編輯方面的簡潔性和高效性使其迅速成為當前生命科學最為炙手可熱的領域之一，但其脫靶效應也是一直急需攻克的難題，制約著其在臨床上的進一步應用。為此，建立更為高效、安全的基因編輯工具，開發更為靈敏的脫靶檢測技術，成為了全球研究的熱點。

中國科學院神經科學研究所研究員、靈長類疾病模型研究組組長楊輝多年來專攻基因編輯技術的研究，對基因編輯中的脫靶安全性檢測以及使用該技術建立動物模型和探索基因治療方面獲得了一系列原創性成果。楊輝建立的更高精度的單堿基編輯工具，為單堿基編輯技術進入臨床治療提供了重要的基礎。在今日公布的2019年第十三屆藥明康德生命化學研究獎中，楊輝憑借改進基因編輯技術和脫靶安全檢測手段，榮膺杰出成就獎。

▲中國科學院神經科學研究所研究員、靈長類疾病模型研究組組長楊輝

結緣基因編輯技術

說起楊輝與基因編輯的邂逅要追溯到2012年。那一年楊輝來到MIT Whitehead 研究所從事博士后研究工作，師從Rudolf Jaenisch教授，后者是構建第一只轉基因小鼠的學術泰斗。不久，隔壁的Broad研究所，CRISPR先驅張鋒團隊首次證實了將 CRISPR 系統用于哺乳動物細胞的基因編輯。

論文發表后，楊輝與自己當時的同門，現在中科院動物所任職的王皓毅博士迅速展開CRISPR/Cas9在小鼠模型上的應用研究。短短半年時間，兩人就證明了CRISRP/Cas9可以高效獲得多種基因修飾動物，包括基因敲除小鼠、基因敲入小鼠、精確修復的小鼠，至今仍被作為全球標準的基因修飾方法。

回國后，楊輝博士來到中科院神經所擔任靈長類疾病模型研究組負責人，繼續從事基因編輯動物模型，尤其是靈長類模型的相關研究。對于這一選擇，楊輝表示，非人靈長類是最接近人類的模式動物，對研究人類疾病，特別是腦疾病來說具有獨有的優勢。然而，就在實驗室成立早期，一個無心插柳的實驗發現，改變了實驗室的研究方向。

2017年，楊輝研究組和合作者發現CRISRP/Cas9不僅僅可以編輯單個基因，還可以敲除染色體，為唐氏綜合癥治療提供了新思路。楊輝本以為故事到此為止，卻意外地收到許多唐氏患者家屬的來信和郵件，或鼓勵他們繼續開展研究，或詢問他們的方法何時上臨床。“這些家屬的反饋給我觸動非常大，讓我第一次真正意識到，自己做的基礎科研與臨床應用僅有一步之遙。”由此，楊輝轉而關注基因編輯技術的臨床應用，特別是罕見病患者群體。

發現單堿基編輯工具存在嚴重脫靶效應

任何新的技術、新的方法的落地轉化都需要經過嚴謹的安全性評估。和如火如荼的基因編輯技術研究相比，目前全球只有兩款基因編輯藥物獲批臨床試驗，究其原因在于基因編輯的脫靶效應。所謂“脫靶效應”，簡單說就是沒有編輯到想要編輯的目標基因，反而去編輯了其他基因。

在楊輝眼里，脫靶問題需要從兩個方面進行考慮，一是基因編輯技術本身能否更好地避免脫靶，二是當新的技術誕生，能否建立更好的檢測方法證明其安全性？

今年3月，楊輝團隊與合作者在《Science》上發表了文章，研究建立了一種被命名為GOTI（Genome-wide Off-target analysis by Two-cell embryo Injection）的新型脫靶檢測技術，并使用該技術發現：近年來興起的單堿基編輯技術有可能導致大量無法預測的脫靶，因而存在嚴重的安全風險。

▲楊輝團隊與合作者在《Science》上發布“GOTI”新型脫靶檢測技術

GOTI可以在不借助于任何脫靶位點預測技術的情況下，發現之前無法發現的完全隨機的脫靶位點，從而提升脫靶檢測的敏感性。實驗設計精妙在于，研究者是在兩群遺傳背景完全相同的細胞上進行實驗，消除了樣本之間的非特異干擾，由此可以最大程度確定一次基因編輯改變了多少本不應該被改變的基因，也就是“脫靶”的程度。 

實踐中，楊輝團隊用GOTI檢驗了多種基因編輯技術，其中就包括曾被認為比CRISPR/Cas9更精準、更安全的單堿基編輯技術。但楊輝團隊發現，單堿基編輯技術可導致大量無法預測的脫靶，且大多出現在傳統脫靶預測認為不太可能脫靶的位點，部分脫靶位點甚至出現在了抑癌基因上。這項研究發現發表后，國外兩家公司立即叫停正在推向臨床的兩個項目，重新規劃自己的產品路線。

建立更精準的單堿基編輯工具

在證明單堿基基因編輯可能導致大量無法預測的DNA脫靶效應的基礎上，楊輝團隊和合作者進一步將脫靶的檢測范圍擴展到RNA水平，首次證明常用的幾種單堿基編輯技術也存在大量的RNA脫靶，且具有較強的致癌風險。

如此一來，單堿基編輯技術是否應該被“打入冷宮”呢？事實并非如此。我們來看這幾個數據：全球約7千種罕見病，90%的罕見病無藥可治，80%的罕見病是單堿基突變導致。因此，單堿基編輯技術在治療單基因遺傳病中被寄予厚望。如果能解決脫靶問題，單堿基基因編輯技術仍有巨大的應用價值。

▲《Nature》發布楊輝團隊優化后的高保真單堿基基因編輯技術

楊輝團隊還通過巧妙實驗設計，證明了RNA脫靶主要是由于融合在Cas9上的脫氨酶導致，進而對單堿基編輯的脫氨酶進行了突變優化，最終獲得能夠消除RNA脫靶并且維持DNA編輯活性的高保真單堿基編輯工具。其中，研究人員開發的ABE（F148A）突變體還能夠縮小編輯窗口，實現更加精準的DNA編輯。該技術在特異性和精確性上超越了現有的單堿基基因編輯技術，有望在未來成為一種更加安全、更加精準的基因編輯工具，應用于臨床治療中。

這一研究發表在今年6月《Nature》雜志上，評審專家給出了高度評價，認為“這是一項做得很好的研究，并有適當的對照控制。提供的降低RNA脫靶的單堿基編輯器，對基因編輯領域具有重要價值。”

劍指臨床轉化

近年來，楊輝工作的重點將其突破性的基礎研究向臨床轉化。楊輝介紹，他們正在嘗試用基因編輯手段治療脊髓性肌營養不良（SMA）和視網膜黃斑病變等疾病。

以SMA舉例。SMA是一種由基因缺陷所導致的常染色體隱性遺傳病，是兩歲以下嬰幼兒的頭號遺傳病殺手，屬于罕見病里極為嚴重的一種。SMA在“罕見病”中相對常見，其致病基因的攜帶率非常高，每50個普通人中就有一個是攜帶者。如果夫妻雙方同為攜帶者，則每一胎生患兒的概率為25%。目前，全球雖已有兩款針對該疾病的藥物上市，但高昂的治療費用非一般中國家庭能夠承受。

談起這一疾病治療領域，楊輝透露，他們在實驗室中已經成功地利用基因編輯技術，在小鼠動物模型上實現了對SMA疾病基因的修復。經過持續一年以上的觀察發現，基因修復的小鼠非常健康。接下來就是考慮如何將這套技術推向臨床，滿足臨床需求。

當被問及數十年科研歷程中哪件事最值得自豪時，楊輝答道：“我最大的夢想是能夠做成一個藥，然后將這個藥親手交到患者手中，讓疾病被治愈，讓患者重新獲得健康。我想這會帶給自己更大的光榮。”如今，楊輝還是一家初創公司的創始人兼首席科學家。根據資料顯示，該公司是一家基于基因治療藥物研發的轉化型生物科技企業，致力于人類罕見遺傳疾病新型治療技術及藥物的研發。