短短八年时间内，CRISPR-Cas9成为成为了基础研究和基因治疗的首选工具。CRISPR-Cas9还衍生了强大的DNA操作工具——单碱基编辑器，用以帮助修复导致遗传性疾病的基因突变。
今天，CRISPR基因编辑奠基人JenniferDoudna在Science杂志发表最新论文，首次解析了单碱基编辑器ABE8e的超高分辨率冷冻电镜结构，揭示了ABE8e高效以及高脱靶率的原因，为单碱基编辑技术的改进和安全应用铺平了道路。
CRISPR技术的诞生
年8月17日，詹妮弗?杜德娜（JenniferDoudna）和埃玛纽埃尔?卡彭蒂耶（EmmanulleCharpentier）合作，在Science杂志发表了基因编辑史上的里程碑论文，首次解析了CRISPR/Cas9基因编辑的工作原理。
年2月15日，张锋在Science杂志发表了论文，首次将CRISPR/Cas9基因编辑技术应用于哺乳动物和人类细胞。
8年前，詹妮弗?杜德娜（JenniferDoudna）、埃玛纽埃尔?卡彭蒂耶（EmmanulleCharpentier）及张锋等人，解析了在细菌中发现的Cas9酶的工作原理，并成功将其从细菌应用到人类细胞的基因编辑。这些发现改变了生物学研究，成功将基因治疗带入临床，堪称近几十年来生命科学领域最伟大的成就之一。
CRISPR-Cas9工作原理
一次只编辑一个碱基
年4月20日，刘如谦（DavidLiu）等人在Nature发表论文，首次可以通过可靠、可预测的方法，实现对细胞基因组中的单个碱基进行修改。这篇论文也标志着单碱基编辑器（BaseEditor）的诞生。
这种四年前开创的单碱基编辑器，能够在不造成DNA双链断裂的情况下，修正人类基因组中的单碱基突变。
据估计，人类可能有种遗传病（目前已发现大约种），其中约60%的遗传病为单碱基突变遗传病，单碱基编辑技术的出现，为解决这些单碱基突变遗传病带来了希望。
年3月16日，刘如谦（DavidLiu）等人在NatureBiotechnology杂志发表论文，通过噬菌体辅助技术，开发出ABE编辑器的新变体——ABE8e，效率更高，而且能够靶向之前ABE编辑器靶向不佳的靶点。这篇论文的作者包括了詹妮弗?杜德娜（JenniferDoudna）。
单碱基编辑器的结构基础
7月31日，JenniferDoudna团队在Science杂志发表了题为：DNAcapturebyaCRISPR-Cas9–guidedadeninebaseeditor的论文。该论文作者同样包括了刘如谦（DavidLiu）。
该研究解析了单碱基编辑器ABE8e的3.2?分辨率冷冻电子显微镜结构，发现ABE8e催化DNA脱氨的速度比早期ABE版本快约倍。还解释了ABE单碱基编辑脱靶率高的原因，这些发现为改进单碱基编辑器，并将其最终应用到临床治疗铺平了道路。
最初版本的ABE编辑器运行缓慢，效率低下，而最新版本的ABE8e编辑器速度非常快，在15分钟内就完成了近％的预期单碱基编辑。动力学和结构数据表明，ABE8e催化DNA脱氨的速度比早期ABE快约倍，但是，ABE8e速度是很快，却也因此产生更多的脱靶效应。
ABE单碱基编辑器，是由突变型的nCas9蛋白融合了脱氨酶构成，这种突变后的nCas9只能切割DNA一条链，nCas9就可以携带其他酶对特定DNA位点进行修饰。
为了了解ABE编辑器进行DNA腺苷脱氨的分子基础，研究团队使用冷冻电镜解析了ABE编辑器3.2?分辨率的电镜结构。
这是人类首次观察到正在工作中的单碱基编辑器。也首次了解到融合后的ABE编辑器实际上仍然分相对独立的两个模块在工作，这让我们看清了Cas9融合蛋白的融合模式，也为我们搞清楚Cas9蛋白哪个区域更适合融合带来了前所未有的视角。
更重要的是，该研究揭示了为什么ABE8e易于产生更多脱靶效应的原因。
与Cas9蛋白融合后的脱氨酶蛋白始终处于活跃状态，Cas9蛋白和脱氨酶融合蛋白在细胞核内工作时，它们需要结合DNA并释放，反复这一过程数百乃至数千次，才能找到预期的真正结合位点。
在这一过程中，脱氨酶始终在活跃着，它不是像狙击枪，而是像加农炮，它没有等到完美匹配就开炮了。
因此，如果要设计出真正的特异性单碱基编辑器，我们就必须找到使得脱氨酶催化结构域更多地成为Cas9蛋白一部分的方法，以便它能够感知Cas9何时位于正确的靶标上，然后才被激活，而不是像现在这样始终处于激活状态。
总的来说，该研究通过对Cas9融合蛋白冷冻电镜结构的解析，揭示了ABE8e实现DNA快速脱氨的原因，还揭示了ABE8e脱靶率之所以较高是因为跟Cas9融合后的脱氨酶始终处于活跃状态，导致Cas9在结合到正确位点前，脱氨酶已经多次造成DNA脱氨。
更重要的是，这项研究为单碱基编辑器的设计和改造带来了新的思路和方向，为单碱基编辑向临床的应用铺平了道路。
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