八年前，一项突破性的基因编辑技术问世，它改变了我们修正遗传疾病的方式，也为分子生物学研究提供了全新工具。这项技术便是碱基编辑器，它能够将特定的DNA碱基化学转变为另一种碱基，而无需引入双链断裂。自此，基因编辑的精确性和效率迈上了新台阶。
精确基因编辑的需求与挑战
人类基因组中约一半的疾病与单核苷酸变异有关，这驱动了科学家开发精准基因编辑技术的努力。早期的基因编辑方法依赖于DNA双链断裂和同源重组修复，但这种方式效率低下，且常伴随插入-缺失突变（indels），这些突变可能导致染色体异常、移码突变甚至细胞毒性。
为了应对这些挑战，Komor等人在2016年开发了首个碱基编辑器BE1。这一编辑器由两部分构成：一种胞苷脱氨酶用于化学编辑，以及一种失活的Cas9蛋白（dCas9）用于靶向特定的基因组位点。当dCas9与单链导向RNA结合后，它能够打开DNA双链形成R环，使胞苷脱氨酶选择性作用于单链DNA，将胞嘧啶（C）转化为尿嘧啶（U），随后在复制过程中被读取为胸腺嘧啶（T）。
从BE1到BE3：效率与精准度的提升
尽管BE1在体外表现出高效的C→T编辑能力，但在人体细胞中的效率较低。研究人员发现，尿嘧啶DNA糖基化酶（UDG）会将U:G碱基对恢复为C:G。他们通过加入尿嘧啶DNA糖基化酶抑制剂（UGI）优化了BE1，形成了BE2。进一步的改进包括恢复Cas9的切割活性，使其在未编辑的DNA链上产生单链断裂，迫使细胞使用含U的链作为修复模板，这催生了BE3。BE3显著提高了编辑效率，并成功应用于修复哺乳动物细胞中的致病性突变，例如阿尔茨海默病相关的APOE4突变和p53基因的Tyr163Cys突变。
从碱基编辑到临床应用
碱基编辑器自问世以来，技术不断迭代，极大地扩展了可编辑的突变范围。蛋白质工程的努力不仅降低了脱靶效应，还开发了腺嘌呤碱基编辑器、双功能编辑器和反转突变编辑器，使更多致病突变得以被修正。例如，腺嘌呤碱基编辑器已被用来修正镰刀型细胞贫血的β-珠蛋白基因突变，在移植到免疫缺陷小鼠后，显著减少了病变血红蛋白的比例。此外，研究还显示，腺嘌呤碱基编辑器能够降低高胆固醇症患者的低密度脂蛋白水平，甚至在急性淋巴细胞白血病患者中，通过碱基编辑的CAR-T细胞实现了分子缓解。
探索生物学的工具：碱基编辑的科研潜能
除了治疗应用，碱基编辑还大幅扩展了遗传学和化学生物学的研究工具箱。它使研究人员能够快速、可靠地引入特定突变，从而在原生细胞和基因组背景下研究基因功能。这种方法被广泛应用于疾病模型的构建，以及大规模并行筛选中，例如对BRCA1和BRCA2的功能突变研究，以及MCL1和BCL2L1的耐药突变分析。此外，通过靶向癌症依赖蛋白中的半胱氨酸残基，碱基编辑帮助识别关键功能位点，为药物开发提供了重要依据。
另有研究利用碱基编辑对人类剪接体的所有蛋白成员引入点突变，并结合小分子抑制剂分析关键耐药突变位点，提出了剪接体中SUGP1蛋白的新功能模型。这些基于碱基编辑的筛选策略还被应用于T细胞和造血干细胞中，并与单细胞转录组学相结合，为解码蛋白质的结构-功能关系提供了强有力的工具。
碱基编辑的未来
自首次报道以来，碱基编辑已重塑生物医学技术与研究的格局。从一种实验室工具到进入患者体内，碱基编辑在短短八年间实现了跨越式发展。不仅如此，它还催生了新的精确基因编辑技术，如引领风潮的原位编辑（prime editing）。随着蛋白质工程、基因治疗传递方法以及计算工具的突破性进展，碱基编辑的治疗与科研应用将更加令人期待。
八年前的那一小步，如今已成为基因编辑领域的一大步。碱基编辑器的未来，正在书写人类攻克遗传疾病与探索生命奥秘的新篇章。
