大约十年来，分子生物学家一直生活在一种奇异的非对称性之中。读取基因组工具平等对待所有四种DNA字母。测序仪不在乎它计数的是腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤还是胸腺嘧啶。但是，重写基因组的工具却一直受到顽固的约束。你一次可以改变一个碱基，或者两个。但你永远无法在一次反应中改变所有三种致突变字母。
这种非对称性现已被打破。由临港实验室和华东师范大学的梁晨领导的研究团队，共同第一作者包括洪梦佳、栾长明、袁萌、黄浩和郭新源，于2026年7月27日在《自然·通讯》（Nature Communications）上报道了smACG三重碱基编辑器的开发。该名称代表A、C、G的同时诱变。研究人员首次能够在单次实验步骤中转换同一等位基因内的腺嘌呤、胞嘧啶和鸟嘌呤。
从编辑一个或两个碱基到编辑全部三个碱基的飞跃不是渐进的。它以一种效率数字本身无法捕捉的方式改变了实验格局。
读取与重写的区别
碱基编辑于2016年作为CRISPR-Cas9的更温和替代方案出现。碱基编辑器不是切断DNA双链让细胞修复损伤，而是在不产生双链断裂的情况下，将一种核苷酸字母化学转化为另一种。腺嘌呤碱基编辑器将A变为G（在基因组中读作A到G，功能上为A到I脱氨，被解读为G）。胞嘧啶碱基编辑器将C变为T。这些都是单字母变化，相当于分子层面在单个字符上使用铅笔橡皮擦。
随后出现了双碱基编辑器，允许同时进行A到G和C到T的编辑。但G（第三种致突变碱基）仍然无法触及。2020年开发出了一种鸟嘌呤碱基编辑器，但它无法与另外两种在同一反应中结合使用。工具箱覆盖了A、C和T。鸟嘌呤就是那个缺失的运算符。
问题在于化学性质。胞嘧啶脱氨是直接的：从胞嘧啶上去除一个胺基会产生尿嘧啶，细胞将其读作胸腺嘧啶。腺嘌呤脱氨的原理类似。但鸟嘌呤需要不同的策略。陈团队通过在Cas9支架内工程化融合腺嘌呤脱氨酶、胞嘧啶脱氨酶和烷基腺嘌呤DNA糖基化酶变体解决了这个问题。糖基化酶从DNA骨架上切除鸟嘌呤，产生一个无碱基位点。细胞的碱基切除修复途径填补该缺口，优先插入所需的替换碱基。
结果是一个单一的蛋白质复合体，能够在一次通过中将A变为G、C变为T、G变为其他三种碱基中的任何一种。
smACGmax与效率问题
团队测试了多种架构变体。表现最佳的被命名为smACGmax，在具有不同序列背景的靶位点面板上实现了高达41%的三重碱基转换效率。这意味着在近一半的编辑等位基因中，所有三个靶向碱基都被同时转换。
smACGmax的单碱基转换效率达到：A到G最高82%，C到T最高77%，G到任意碱基最高55%。G的编辑效率取决于替换碱基，G到A效率最高，G到T效率最低。
任何工程化脱氨酶的一个持续关注点是脱靶编辑（基因组其他位置或RNA转录本中的非预期变化）。团队利用全转录组测序评估了RNA脱靶效应，发现smACGmax的RNA脱靶活性显著低于此前报道的双碱基编辑器。这表明，尽管集成了三种催化活性，但这种工程化酶架构比具有较少活性的早期构建体更具特异性。
从字母到景观
三重碱基编辑的关键不在于相比双编辑器的百分比改进。关键在于，单次实验可及的突变景观已从少数可能的变化扩展到了给定靶位点几乎所有可能的点突变。靶向五个碱基窗口的双碱基编辑器可以产生32种组合。三重碱基编辑器可以产生243种组合。这是从稀疏采样到近乎穷尽式序列空间探查的转变。
陈团队通过两个概念验证实验展示了这一扩展景观的实际威力。
一锅法找到白喉毒素抗性
第一个应用针对HBEGF基因，该基因编码白喉毒素进入人类细胞所使用的受体。HBEGF的突变可以赋予毒素抗性，但识别这些突变传统上需要费力的筛选实验或定向进化。
团队将smACGmax应用于HBEGF编码序列内的一个窗口，生成了一个携带多种碱基变化组合的编辑细胞文库。测序显示，编辑器达到了94%的靶区域覆盖率，意味着窗口内的几乎每个碱基都在细胞群体中被成功编辑。当团队用白喉毒素挑战编辑后的细胞时，抗性克隆迅速出现。对这些克隆进行测序，揭示了赋予抗性的特定突变组合。
该实验展示了一个通用原理：三重碱基编辑可以用作一锅法功能筛选平台。研究人员无需逐个引入突变并单独测试每个变体，而是可以在一次反应中生成高多样性的遗传变异文库，然后施加选择压力以筛选出功能性目标。
逐个碱基剖析剪接体
第二个应用针对SF3B1，这是一种在骨髓增生异常综合征、慢性淋巴细胞白血病和葡萄膜黑色素瘤等癌症中频繁突变的剪接因子。SF3B1的突变改变了数百个下游基因的剪接，但由于自然发生的肿瘤携带许多共现突变，特定SF3B1变体与其剪接后果之间的关系一直难以剖析。
团队使用smACGmax生成了一个SF3B1变体面板，涵盖了热点区域内单碱基、双碱基和三碱基的变化。通过比较每个变体产生的剪接模式，他们能够表征特定氨基酸替换如何改变剪接特异性。一些三重突变体产生的剪接变化无法从单个突变体的效应中预测出来，这突显了研究组合突变而非假设可加性的重要性。
在三重碱基编辑出现之前，这种实验基本上是不可能的。用传统方法生成同样的变体面板需要数十次独立的诱变反应和克隆步骤。而smACGmax在单次实验中就产生了整个面板。
景观论证
三重碱基编辑的更广泛意义在于它所带来的实验范围变化。知道基因组说什么与知道它能说什么不是一回事。基因组中的每个位置原则上都是可变的。可能的人类基因组空间在数量级上远超曾经存在过的人类数量。功能基因组学的问题是，我们能否系统地探索特定基因周围的突变景观，以理解哪些变化对疾病、药物耐药性和生物学功能至关重要。
三重碱基编辑器并没有回答这个问题，但它们消除了提出这个问题的一个重要障碍。使用smACG，实验者可以靶向感兴趣的区域，并在单次反应中生成几乎所有可能的点突变。限制因素从工具转移到了功能检测的通量上。
该技术并非没有局限性。41%的三重碱基效率意味着在大多数编辑细胞中，并非所有三个靶向碱基都被转换。G的编辑效率在最有利的替换中也只有55%，是最薄弱的环节，而受Cas9结构限制的编辑窗口大约覆盖5到7个碱基。
但原理已经确立。碱基编辑已从单字母发展到双字母，再到完整的致突变字母表。读取和重写基因组之间的非对称性已被缩小，分子生物学家所能提出的问题类型也已改变。
陈团队已提交涵盖该技术的专利申请（中国国家知识产权局申请号202411508492.5）。这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、上海市委员会以及临港实验室的支持。该论文以CC BY-NC-ND 4.0许可协议开放获取发表。
基因组一直是一门四字母的语言。而现在，实验者首次拥有了一套匹配完整语法的字母表。
婷 翻译