发展背景
随着ZFN、TALEN、CRISPR/Cas9等基因编辑技术的相继出现，基因编辑技术逐渐变得更加简便、 高效， 并被广泛应用于基因功能、动物模型、基因治疗等研究。但是目前的基因编辑技术（ZFN, TALEN, CRISPR/Cas9）依赖于在靶位点诱导双链断裂，进而激活DNA修复机制，实现基因矫正的目的。DNA修复机制主要包括两种方式：一种是易错的非同源末端连接（non-homologous end-joining,NHEJ），容易引起随机插入和缺失（indel）; 在同源模板存在的情况下，还可以激活同源重组修复（homology directed repair,HDR），尽管后一种修复方式的精确性高，但是，该方式在细胞中的同源重组修复效率低，约为0.1%-5%【基因编辑之“新宠”—单碱基基因组编辑系统】【Nature .533(7603): 420–424. doi:10.1038/nature17946】。因此，基于双链断裂的基因编辑技术不仅容易产生DNA片段插入和缺失，且可能会产生脱靶效应，最终影响靶基因的功能。而单碱基编辑技术的出现有效地克服了这一问题。
发展历程
2016年4月，David Liu 实验室在Nature杂志上第一次发表了不需要DNA双链断裂即可进行单碱基转换的基因编辑技术——即单碱基编辑技术（base editor,BE）。单碱基编辑技术基于无核酸酶活性的Cas9（dCas9）或Cas9切口酶（Cas9n）、胞嘧啶脱氨酶以及sgRNA形成的复合体，在不断裂DNA双链的情况下，直接对靶向位点进行精准编辑，实现了在一定的活性窗口内胞嘧啶（C）到胸腺嘧啶（T）或鸟嘌呤（G）到腺嘌呤（A）的单碱基转换。单碱基编辑技术的出现促进了点突变基因编辑的有效性和使用范围。
Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage
Nature . 533(7603): 420–424. doi:10.1038/nature17946
同年，日本科学家基于AID（activation- induced cytidine deaminase (AID)）同源物PmCDA1和dCas9或Cas9n以及鸟嘌呤糖苷化酶抑制子UGI的融合，也开发了碱基编辑系统。我国科学家常兴研究组也在同年发现了DNA碱基编辑的新方法，他们开发了基于哺乳动物的靶向AID介导的核苷酸突变（TAM），通过把诱导抗体高频突变的胞嘧啶脱氨酶AID与核酸酶缺陷的Cas9蛋白（dCas9）融合，在sgRNA的引导下靶向结合在DNA上，使胞嘧啶和鸟嘌呤可以随机地向其他三个碱基转变。
Targeted nucleotide editing using hybrid prokaryotic and vertebrate adaptive immune systems
K. Nishida et al., Science 10.1126/science.aaf8729 (2016).
Targeted AID-mediated mutagenesis (TAM) enables efficient genomic diversification in mammalian cells
2017年4月，David Liu 实验室对单碱基编辑技术做了两点改进，这一成果发表在Nature Biotechnology：
第一：针对常用的化脓性链球菌的Cas9（SpCas9)蛋白靶向范围较窄，只识别含有NGG或NGA的PAM(Protospacer adjacent motif)序列的靶位点的限制，David Liu 实验室通过使用金黄色葡萄球菌的Cas9（SaCas9）、SaCas9突变体（Sacas9-KKH）、SpCas9突变体（SpCas9-VQR,SpCas9-EQR、SpCas9-VRER）替代SpCas9, 从而识别含有NGG、NGA,NGAN,NGAG,NGGG,NNGRRT和NNNRRT的PAM序列，显著提高了单碱基基因编辑的靶向范围。
第二：由于单碱基编辑系统只能将在胞嘧啶脱氨酶活性位点附近的C脱氨基，胞嘧啶脱氨酶rAPOBEC1的活性窗口通常有5个核苷酸，会使活性窗口中非靶向的碱基也发生替换作用。针对这一限制，David Liu实验室通过对胞嘧啶脱氨酶进行突变，降低酶的活性、改变底物的结合和构象，或者直接降低底物进入胞嘧啶脱氨酶活性区域的能力，缩小了单碱基编辑系统的活性窗口，从5个核苷酸窗口缩小至1-2个核苷酸活性窗口。
Increasing the genome-targeting scope and precision of base editing with engineered Cas9-cytidine deaminase fusions
Nat Biotechnol . 2017 April ; 35(4): 371–376. doi:10.1038/nbt.3803
2017年6月，David Liu实验室对碱基编辑进行了新的改进，他们通过对BE3引入突变来减少脱靶效应，产生了高保真的碱基编辑器（high-fidelity base editor,HF-BE3）；并将BE3和HF-BE3作为核糖核蛋白（RNP）复合物纯化并输送到哺乳动物细胞中，建立无DNA碱基编辑。
Improving the DNA specificity and applicability of base editing through protein engineering and protein delivery
Received 6 Feb 2017 | Accepted 27 Apr 2017 | Published 6 Jun 2017
Received 6 Feb 2017 | Accepted 27 Apr 2017 | Published 6 Jun 2017
DOI: 10.1038/ncomms15790
同年11月，David Liu实验室又报道了基于E. coli TadA（ecTadA）的腺嘌呤脱氨酶的新型单碱基编辑器——腺嘌呤碱基编辑器（adenine base editors (ABEs)），实现了A.T碱基对向G.C碱基对的转换。经过不断的改进，第7代的腺嘌呤碱基编辑器将靶向的A.T碱基转化为G.C碱基对可以达到约50%的效率（人类细胞），大于99.9%的纯度，并且引入插入或缺失的频率低于0.1%。
Programmable base editing of A•T to G•C in genomic DNA without DNA cleavage
Nature. 2017 November 23; 551(7681): 464–471. doi:10.1038/nature24644.
单碱基编辑技术的应用
1）单碱基编辑技术在疾病治疗中的应用
Komor et al 利用BE系统在鼠星型胶质细胞纠正了阿尔兹海默疾病相关的突变-APOE4, 和鼠乳腺癌细胞系的TP53突变，第一次证明了BE系统在基因治疗方面的潜在应用。
Komor, A.C., Kim, Y.B., Packer, M.S., Zuris, J.A., and Liu, D.R. (2016). Pro- grammable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA
2） 动物模型方面的应用
BE系统，尤其是BE3被广泛用于动物细胞培养模型，鼠、酵母、斑马鱼、鼠胚胎等基因编辑。
3）在植物方面的应用
第5周 2018—06.18-06.23