基因编辑可以说是21世纪最伟大的科学成就之一。第三代CRISPR/Cas9基因编辑技术在DNA编辑方面的简洁性和高效性使其迅速成为当前生命科学最为炙手可热的领域之一，但其脱靶效应也是一直急需攻克的难题，制约着其在临床上的进一步应用。为此，建立更为高效、安全的基因编辑工具，开发更为灵敏的脱靶检测技术，成为了全球研究的热点。

中国科学院神经科学研究所研究员、灵长类疾病模型研究组组长杨辉多年来专攻基因编辑技术的研究，对基因编辑中的脱靶安全性检测以及使用该技术建立动物模型和探索基因治疗方面获得了一系列原创性成果。杨辉建立的更高精度的单碱基编辑工具，为单碱基编辑技术进入临床治疗提供了重要的基础。在今日公布的2019年第十三届药明康德生命化学研究奖中，杨辉凭借改进基因编辑技术和脱靶安全检测手段，荣膺杰出成就奖。

▲中国科学院神经科学研究所研究员、灵长类疾病模型研究组组长杨辉

结缘基因编辑技术

说起杨辉与基因编辑的邂逅要追溯到2012年。那一年杨辉来到MIT Whitehead 研究所从事博士后研究工作，师从Rudolf Jaenisch教授，后者是构建第一只转基因小鼠的学术泰斗。不久，隔壁的Broad研究所，CRISPR先驱张锋团队首次证实了将 CRISPR 系统用于哺乳动物细胞的基因编辑。

论文发表后，杨辉与自己当时的同门，现在中科院动物所任职的王皓毅博士迅速展开CRISPR/Cas9在小鼠模型上的应用研究。短短半年时间，两人就证明了CRISRP/Cas9可以高效获得多种基因修饰动物，包括基因敲除小鼠、基因敲入小鼠、精确修复的小鼠，至今仍被作为全球标准的基因修饰方法。

回国后，杨辉博士来到中科院神经所担任灵长类疾病模型研究组负责人，继续从事基因编辑动物模型，尤其是灵长类模型的相关研究。对于这一选择，杨辉表示，非人灵长类是最接近人类的模式动物，对研究人类疾病，特别是脑疾病来说具有独有的优势。然而，就在实验室成立早期，一个无心插柳的实验发现，改变了实验室的研究方向。

2017年，杨辉研究组和合作者发现CRISRP/Cas9不仅仅可以编辑单个基因，还可以敲除染色体，为唐氏综合症治疗提供了新思路。杨辉本以为故事到此为止，却意外地收到许多唐氏患者家属的来信和邮件，或鼓励他们继续开展研究，或询问他们的方法何时上临床。“这些家属的反馈给我触动非常大，让我第一次真正意识到，自己做的基础科研与临床应用仅有一步之遥。”由此，杨辉转而关注基因编辑技术的临床应用，特别是罕见病患者群体。

发现单碱基编辑工具存在严重脱靶效应

任何新的技术、新的方法的落地转化都需要经过严谨的安全性评估。和如火如荼的基因编辑技术研究相比，目前全球只有两款基因编辑药物获批临床试验，究其原因在于基因编辑的脱靶效应。所谓“脱靶效应”，简单说就是没有编辑到想要编辑的目标基因，反而去编辑了其他基因。

在杨辉眼里，脱靶问题需要从两个方面进行考虑，一是基因编辑技术本身能否更好地避免脱靶，二是当新的技术诞生，能否建立更好的检测方法证明其安全性？

今年3月，杨辉团队与合作者在《Science》上发表了文章，研究建立了一种被命名为GOTI（Genome-wide Off-target analysis by Two-cell embryo Injection）的新型脱靶检测技术，并使用该技术发现：近年来兴起的单碱基编辑技术有可能导致大量无法预测的脱靶，因而存在严重的安全风险。

▲杨辉团队与合作者在《Science》上发布“GOTI”新型脱靶检测技术

GOTI可以在不借助于任何脱靶位点预测技术的情况下，发现之前无法发现的完全随机的脱靶位点，从而提升脱靶检测的敏感性。实验设计精妙在于，研究者是在两群遗传背景完全相同的细胞上进行实验，消除了样本之间的非特异干扰，由此可以最大程度确定一次基因编辑改变了多少本不应该被改变的基因，也就是“脱靶”的程度。 

实践中，杨辉团队用GOTI检验了多种基因编辑技术，其中就包括曾被认为比CRISPR/Cas9更精准、更安全的单碱基编辑技术。但杨辉团队发现，单碱基编辑技术可导致大量无法预测的脱靶，且大多出现在传统脱靶预测认为不太可能脱靶的位点，部分脱靶位点甚至出现在了抑癌基因上。这项研究发现发表后，国外两家公司立即叫停正在推向临床的两个项目，重新规划自己的产品路线。

建立更精准的单碱基编辑工具

在证明单碱基基因编辑可能导致大量无法预测的DNA脱靶效应的基础上，杨辉团队和合作者进一步将脱靶的检测范围扩展到RNA水平，首次证明常用的几种单碱基编辑技术也存在大量的RNA脱靶，且具有较强的致癌风险。

如此一来，单碱基编辑技术是否应该被“打入冷宫”呢？事实并非如此。我们来看这几个数据：全球约7千种罕见病，90%的罕见病无药可治，80%的罕见病是单碱基突变导致。因此，单碱基编辑技术在治疗单基因遗传病中被寄予厚望。如果能解决脱靶问题，单碱基基因编辑技术仍有巨大的应用价值。

▲《Nature》发布杨辉团队优化后的高保真单碱基基因编辑技术

杨辉团队还通过巧妙实验设计，证明了RNA脱靶主要是由于融合在Cas9上的脱氨酶导致，进而对单碱基编辑的脱氨酶进行了突变优化，最终获得能够消除RNA脱靶并且维持DNA编辑活性的高保真单碱基编辑工具。其中，研究人员开发的ABE（F148A）突变体还能够缩小编辑窗口，实现更加精准的DNA编辑。该技术在特异性和精确性上超越了现有的单碱基基因编辑技术，有望在未来成为一种更加安全、更加精准的基因编辑工具，应用于临床治疗中。

这一研究发表在今年6月《Nature》杂志上，评审专家给出了高度评价，认为“这是一项做得很好的研究，并有适当的对照控制。提供的降低RNA脱靶的单碱基编辑器，对基因编辑领域具有重要价值。”

剑指临床转化

近年来，杨辉工作的重点将其突破性的基础研究向临床转化。杨辉介绍，他们正在尝试用基因编辑手段治疗脊髓性肌营养不良（SMA）和视网膜黄斑病变等疾病。

以SMA举例。SMA是一种由基因缺陷所导致的常染色体隐性遗传病，是两岁以下婴幼儿的头号遗传病杀手，属于罕见病里极为严重的一种。SMA在“罕见病”中相对常见，其致病基因的携带率非常高，每50个普通人中就有一个是携带者。如果夫妻双方同为携带者，则每一胎生患儿的概率为25%。目前，全球虽已有两款针对该疾病的药物上市，但高昂的治疗费用非一般中国家庭能够承受。

谈起这一疾病治疗领域，杨辉透露，他们在实验室中已经成功地利用基因编辑技术，在小鼠动物模型上实现了对SMA疾病基因的修复。经过持续一年以上的观察发现，基因修复的小鼠非常健康。接下来就是考虑如何将这套技术推向临床，满足临床需求。

当被问及数十年科研历程中哪件事最值得自豪时，杨辉答道：“我最大的梦想是能够做成一个药，然后将这个药亲手交到患者手中，让疾病被治愈，让患者重新获得健康。我想这会带给自己更大的光荣。”如今，杨辉还是一家初创公司的创始人兼首席科学家。根据资料显示，该公司是一家基于基因治疗药物研发的转化型生物科技企业，致力于人类罕见遗传疾病新型治疗技术及药物的研发。