日前，基因編輯領(lǐng)域的知名科學(xué)家劉如謙（David Liu）教授率領(lǐng)團隊在《自然-生物技術(shù)》發(fā)表論文，發(fā)布了基因編輯系統(tǒng)“先導(dǎo)編輯”（prime editing）的新版本。新技術(shù)在人類細胞中能夠編輯的基因長度從先前的幾十對堿基（bp）擴展到了數(shù)千對堿基，相當于一條完整基因的長度。

這一突破再次拓展了精確基因編輯的能力，讓我們向著更安全的基因療法邁進重要一步，有望以更安全、靶向性更高的方式插入治療基因，替換致病突變或缺失的基因，從而實現(xiàn)治療目標。

兩年前，劉如謙教授團隊在《自然》雜志上發(fā)表了一篇重磅論文，帶來了被稱為“先導(dǎo)編輯”的全新基因編輯系統(tǒng)。它的一個核心元素是經(jīng)改造的Cas9與逆轉(zhuǎn)錄酶融合而成的先導(dǎo)編輯蛋白，另一個核心元素是特殊的pegRNA（pe是先導(dǎo)編輯的縮寫），不僅結(jié)合在想要編輯的特定DNA區(qū)域，還提供了DNA修復(fù)的模板。

在多種人類細胞中，研究人員證實了先導(dǎo)編輯廣泛的編輯能力，不僅能精確修改單個堿基，還能在基因組特定位置插入或刪除特定的DNA片段。

▲先導(dǎo)編輯技術(shù)的示意圖（圖片來源：Susanna Hamilton, Broad Institute）

然而，這一系統(tǒng)的應(yīng)用也遇到了一個重要的瓶頸，那就是可編輯的DNA長度。最初版本的先導(dǎo)編輯，最多可以插入44bp，或是刪除80bp，一旦超過100bp，就會影響編輯效率。然而，實際應(yīng)用于研究或治療人類的某些遺傳疾病，需要編輯的DNA片段可能要大得多。

此次發(fā)表的先導(dǎo)編輯系統(tǒng)新版本正是突破了這一局限。研究人員在人類細胞中編輯了一個與亨特綜合征（Hunter syndrome）有關(guān)的基因。這是一種罕見的遺傳疾病，由長達40kb的DNA片段倒位引起。研究團隊在基因組中的相同位點引入了近40kb的倒位，展示新技術(shù)如何用于糾正致病突變。

▲優(yōu)化后的twinPE系統(tǒng)可以在人類細胞的基因組中插入大片段的完整基因（圖片來源：參考資料[2]；Credit : Ricardo Job-Reese, Broad Communications）

研究團隊將新版本稱為twinPE。該系統(tǒng)使用一個先導(dǎo)編輯蛋白和兩條pegRNA。每條pegRNA都會引導(dǎo)編輯蛋白在特定的DNA位置精確切開一條DNA鏈，避免因為DNA雙鏈斷裂而出現(xiàn)不需要的副產(chǎn)物。這一系統(tǒng)隨后合成兩條新的互補鏈，替換掉兩個切口之間的序列。使用這一方法，可插入、替換或刪除的序列長度擴展到了約800bp。

為了進一步編輯更大的片段，研究團隊還將twinPE系統(tǒng)與位點特異性重組酶結(jié)合使用，這類重組酶可催化DNA整合到基因組的特定位點。當與位點特異性絲氨酸重組酶結(jié)合，twinPE能夠在人類細胞中靶向插入5000bp以上的DNA序列。

研究團隊表示，他們還在測試不同的重組酶，以期進一步提高twinPE的效率，引入更長的基因序列。

值得一提的是，就在兩個月前，劉如謙教授的團隊剛剛在《細胞》期刊上完成了對先導(dǎo)編輯的另一項優(yōu)化，讓編輯效率比早期版本高出2.0~7.7倍，使其更接近治療應(yīng)用。

注：原文有刪減

參考資料：

[1] Andrew V. Anzalone et al, (2021) Programmable deletion, replacement, integration and inversion of large DNA sequences with twin prime editing, Nature Biotechnology . DOI: 10.1038/s41587-021-01133-w

[2] New prime editing system inserts entire genes in human cells. Retrieved Dec. 13, 2021 from https://www.broadinstitute.org/news/new-prime-editing-system-inserts-entire-genes-human-cells