基因缺陷极其常见，考虑到人体细胞数量之多，包括生殖细胞，这并不令人意外。虽然大多数缺陷没有或仅有轻微影响，但有些缺陷的影响则严重甚至致命。CPS1基因缺陷就是其中之一，受影响的患者将面临寿命缩短、强化治疗和肝移植等唯一真正有效的解决方案。随着首例CPS1缺陷婴儿基因治疗成功，这种情况或许正在改变。
氨基甲酰磷酸合成酶I ( CPS1 ) 是一种酶，对分解蛋白质分解产生的氨至关重要。如果肝脏无法产生足够的这种酶，氨就会在血液中积聚，最终达到主要影响神经系统的水平。作为一种常染色体隐性代谢紊乱，该病需要父母双方均为携带者，其严重程度取决于具体的突变情况。
就患儿KJ·穆尔登（KJ Muldoon）而言，他的CPS1基因缺陷非常严重，仅靠低蛋白饮食和降氨（氮清除）药物维持生命，同时开始寻找肝脏供体。正是在这种背景下，几个月后，一种CRISPR-Cas9疗法被开发出来，目前看来，该疗法似乎能够修复肝细胞中缺陷的基因。
CPS1基因缺陷
尿素循环。（图片来源：Yikrazuul，维基百科）
尽管氨(NH 3 ) 对生物体具有毒性，但它却是生物体的重要组成部分，主要以胺(R-NH 2 ) 的形式存在。胺本身也是氨基酸不可或缺的组成部分，尤其是构成蛋白质的 22 种蛋白氨基酸。正如氨是胺化过程所必需的，体内氨的形成也主要源于这些生物胺的转氨和脱氨作用。脱氨过程主要在肝脏中进行，涉及人体自身废弃蛋白质以及来自饮食的蛋白质的脱氨。
由于只有部分氨可以被重新利用生成新的氨基酸，其余部分必须被中和。由于氨具有毒性，血液中的氨浓度必须限制在50 µmol/L以下，否则就会出现高氨血症。这时，尿素循环便会发挥作用，维持健康的氨水平。
尿素循环的第一步是将氨转化为氨基甲酰磷酸：
NH 3 + HCO − 3 + 2 ATP → 2ADP + 氨基甲酰磷酸 + P i
通常情况下，这是一个非常缓慢的反应，而CSP1酶正是在此过程中发挥催化剂的作用。在人类中，这种酶的基因位于2号染色体长臂的2q34位点。如果该基因发生突变，导致其无法发挥催化剂的作用，血浆中的氨水平就会持续升高，最终达到影响神经系统的水平。在婴儿中，这表现为嗜睡、癫痫发作以及发育里程碑的缺失。如果不进行治疗，50%的婴儿会出现发育迟缓、智力障碍甚至死亡。
撤销突变
2024年8月，KJ出生时，人们注意到他精神萎靡、肌肉僵硬，并伴有其他令人担忧的症状。通过基因组测序诊断出KJ患有严重的CPS1基因缺陷后，他五个月大就入院治疗。KJ唯一的希望似乎只有肝脏移植，他被列入了器官捐献名单，但这对他来说，也只是一线希望。与此同时，一个研究小组开始研究KJ CPS1基因缺陷的病因及其背后的基因突变。
正如Eric Topol博士在其对Gropman等人发表在《新英格兰医学杂志》（ NEJM ）上的一篇付费论文的总结中所述，父亲和母亲均被发现为CPS1突变携带者，父亲携带截短型Q335X变异，母亲携带另一种变异（E714X）。如果任一突变能够得到纠正，孩子将拥有一个功能性拷贝，理论上能够产生足够的CPS1基因，无需外部辅助即可维持正常的尿素循环。
这里一个复杂的问题是，尽管过去几年有很多关于使用 CRISPR 进行基因编辑的报道，但仍然存在不同的等级，Topol 博士称之为 CRISPR 1.0 到 3.0：
- CRISPR 1.0：CRISPR-Cas9 工具可造成足够的双链损伤，从而导致基因失活（敲除）。该技术较为粗糙，与本文无关。也已进行体外实验。
- CRISPR 2.0：引入单链切割，允许进行有限的碱基编辑，例如将 A 替换为 G。
- CRISPR 3.0. 扩展碱基编辑，包括体外和体内的多个碱基对。
这些方法此前已在癌症治疗中用于体外构建用于CAR-T细胞免疫疗法的修饰T细胞。在体内治疗方面，有2023年敲除PCSK9肝蛋白以降低坏胆固醇水平的案例，以及近期针对导致肝肺损伤的PiZ突变的碱基编辑。此外，还有ARCUS ，这是一种基于病毒载体的碱基编辑方法，已用于治疗另一种尿素循环相关疾病。
尽管这里只需要 CRISPR 2.0，但 KJ 案例的独特之处在于，这将是第一个完全个性化的碱基编辑疗法，在体内应用并在短短六个月内开发完成。
跨越所有障碍
K-abe 碱基编辑器与 CPS1 的靶序列结合（图片来源： Gropman et al. NEJM, 2025）
由于针对KJ的CPS1基因治疗尚处于实验阶段，研究人员必须进行一系列测试，包括在动物模型上进行。研究人员开发了一种碱基编辑器，可以靶向父亲的Q335X突变，并将其改写为正确的碱基对。研究人员培育了携带相同CSP1突变的小鼠，并在非人类灵长类动物身上进行了测试，所有这些测试都是为了验证该方法并获得FDA的批准。
碱基编辑器的目标是重写2q34基因座Q335X位置的错误碱基。任何CRISPR应用都存在所谓的脱靶编辑问题，但安全审查似乎已顺利通过，没有出现严重问题。
从极低剂量开始，仔细监测血浆氨水平，未发现明显变化。三周后，注射了第二剂更高剂量的药物，据报道氨水平有所改善。一段时间后注射了第三剂，但结果尚不清楚。由于缺乏肝活检，很难判断这种疗法在多大程度上真正治愈了患者，因为目前报告的药物需求有所减少。
据报道，KJ 的状况有所改善，达到了发育目标，并克服了两次病毒感染，没有出现氨危机。由于病毒载体存在免疫方面的担忧，后续的治疗注射可能会采用 mRNA 方式，而不是目前使用的（推测的）病毒载体。关于 KJ 肝脏中到底有多少细胞真正被编辑，以及总体效果如何，仍存在一些悬而未决的问题。
这使得我们谨慎地欢迎这一消息，认为这是个性化基因治疗向前迈出的一步，同时也意识到，无论KJ还是我们其他人，未来的道路仍然充满未知和挑战。即便如此，我们只能希望KJ能够取得最好的进展，并理想情况下成为其他患有CPS1缺陷等遗传疾病患者的希望之光。
特色图片：“ CRISPR Cas9 ”，作者：Ernesto del Aguila III，NHGRI，图片由国家人类基因组研究所提供