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日前，基因编辑领域的知名科学家刘如谦（David Liu）教授率领团队在《自然-生物技术》发表论文，发布了基因编辑系统“先导编辑”（prime editing）的新版本。新技术在人类细胞中能够编辑的基因长度从先前的几十对碱基（bp）扩展到了数千对碱基，相当于一条完整基因的长度。这一突破再次拓展了精确基因编辑的能力，让我们向着更安全的基因疗法迈进重要一步，有望以更安全、靶向性更高的方式插入治疗基因，替换致病突变或缺失的基因，从而实现治疗目标。
两年前，刘如谦教授团队在《自然》杂志上发表了一篇重磅论文，带来了被称为“先导编辑”的全新基因编辑系统。它的一个核心元素是经改造的Cas9与逆转录酶融合而成的先导编辑蛋白，另一个核心元素是特殊的pegRNA（pe是先导编辑的缩写），不仅结合在想要编辑的特定DNA区域，还提供了DNA修复的模板。
在多种人类细胞中，研究人员证实了先导编辑广泛的编辑能力，不仅能精确修改单个碱基，还能在基因组特定位置插入或删除特定的DNA片段。
▲先导编辑技术的示意图（图片来源：Susanna Hamilton, Broad Institute）
然而，这一系统的应用也遇到了一个重要的瓶颈，那就是可编辑的DNA长度。最初版本的先导编辑，最多可以插入44bp，或是删除80bp，一旦超过100bp，就会影响编辑效率。然而，实际应用于研究或治疗人类的某些遗传疾病，需要编辑的DNA片段可能要大得多。此次发表的先导编辑系统新版本正是突破了这一局限。研究人员在人类细胞中编辑了一个与亨特综合征（Hunter syndrome）有关的基因。这是一种罕见的遗传疾病，由长达40kb的DNA片段倒位引起。研究团队在基因组中的相同位点引入了近40kb的倒位，展示新技术如何用于纠正致病突变。
▲优化后的twinPE系统可以在人类细胞的基因组中插入大片段的完整基因（图片来源：参考资料[2]；Credit : Ricardo Job-Reese, Broad Communications）
研究团队将新版本称为twinPE。该系统使用一个先导编辑蛋白和两条pegRNA。每条pegRNA都会引导编辑蛋白在特定的DNA位置精确切开一条DNA链，避免因为DNA双链断裂而出现不需要的副产物。这一系统随后合成两条新的互补链，替换掉两个切口之间的序列。使用这一方法，可插入、替换或删除的序列长度扩展到了约800bp。为了进一步编辑更大的片段，研究团队还将twinPE系统与位点特异性重组酶结合使用，这类重组酶可催化DNA整合到基因组的特定位点。当与位点特异性丝氨酸重组酶结合，twinPE能够在人类细胞中靶向插入5000bp以上的DNA序列。研究团队表示，他们还在测试不同的重组酶，以期进一步提高twinPE的效率，引入更长的基因序列。
刘如谦教授在Broad研究所的新闻稿中指出："TwinPE可能提供了一种更安全、更精确的方式，将旨在治疗的整段基因插入我们指定的位置，比如天然基因在健康个体中的位点或是被认为副作用风险最小化的安全位点。”值得一提的是，就在两个月前，刘如谦教授的团队刚刚在《细胞》期刊上完成了对先导编辑的另一项优化，让编辑效率比早期版本高出2.0~7.7倍，使其更接近治疗应用。
“包括我们在内的许多实验室，一直期望能够像过去几年推进基因编辑那样地推进基因疗法。”刘如谦教授补充，“这项研究，以及其他科学家的相关工作，或许标志着新一代基因治疗策略的开始，就像CRISPR核酸酶、碱基编辑器和先导编辑代表了新一代基因编辑技术的开始。”
[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本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系wuxi_media@wuxiapptec.com。
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