【Nature子刊】刘如谦团队带来新的“先导编辑”——TwinPE将完整的基因插入人类细胞

麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所的研究人员开发出了一种新版本的先导编辑（prime editing）技术，可以安装或交换出基因大小的DNA序列。Prime editing于2019年首次开发，是在人类细胞中进行广泛多样性基因编辑的精确方法，包括小替换、插入和缺失。

12月9日发表在《Nature Biotechnology》上，题为“Programmable deletion, replacement, integration and inversion of large DNA sequences with twin prime editing”的一项研究中，研究小组描述了twin prime editing(twinPE)，这是一种通过两个相邻的prime edits在基因组的特定位置引入更大的DNA序列的技术，且很少有不需要的副产物。随着进一步的发展，该技术可以潜在地作为一种新的基因治疗形式，以安全和高度靶向的方式插入治疗基因，以替代突变或缺失的基因。

研究人员通过编辑在人类细胞中一种与亨特综合征（一种罕见的遗传病）相关联的基因，证明了twinPE的治疗潜力。这种疾病是由特定的40000个碱基对长的DNA片段倒位引起的。研究小组利用twinPE在基因组的相同位点引入了一个相似长度的倒位，展示了如何利用该方法来纠正致病突变。研究小组还利用twinPE将数千个碱基对的基因大小的DNA货物精确插入到基因组中治疗相关的位点。

该方法解决了原始prime editing系统的一个局限性，它只能编辑几十个碱基对。然而，一些遗传疾病的研究或治疗可能需要更大的编辑。与最初的prime editing方法一样，twinPE也不会通过在同一位置同时切割两条链来完全切断DNA双螺旋，这会诱发控制不佳的编辑结果和有害的染色体异常。

该研究的资深作者刘如谦（David Liu）说：“在我们选择的部位插入一个健康的基因而不产生双链断裂和副产物的混合物一直是基因编辑中长期存在的挑战之一。”

“TwinPE可能是一种潜在的更安全和更精确的方法，将治疗性的整个基因插入我们指定的位置，例如天然基因在健康个体中的位置或被认为可将副作用风险降至最低的‘安全港’位点。”

由Liu实验室开发的prime editing能够实现DNA替换、插入和缺失，并有望纠正大多数已知的致病遗传变异。最近对prime editing技术的改进提高了其效率，使其更接近治疗应用。但编辑长度超过100个碱基对的序列仍然效率低下。

TwinPE填补了这一缺口。该系统使用一个prime editor蛋白和两个prime editing向导RNA，它们指导编辑机制并编码编辑。两种向导RNA中的每一种都会指导编辑蛋白在基因组的不同靶位点的DNA中制造出单链缺口，避免在其他方法中产生不需要的副产物的那种双链断裂。然后该系统合成两条新的互补DNA链，在两个缺口之间包含所需的序列。利用这种方法，研究小组能够插入、替换或删除高达约800个碱基对的序列。

为了编辑更大的序列，研究人员利用他们的twinPE系统，在基因组中为被称为位点特异性重组酶的酶安装了“着陆位点”，这种酶催化DNA在基因组特定位点的整合。然后，研究小组用重组酶处理细胞，并将他们想插入基因组的DNA长片段引入。结合twinPE和重组酶，科学家们可以编辑数千碱基对长的序列——是整个基因的长度。

Liu和他的团队现在正在测试可能使twinPE更有效的不同重组酶。他们还在评估twinPE安装更长基因序列的能力。

Liu说：“这是包括我们在内的许多实验室的一个长期的愿望——能够以科学家在过去几年中推进基因编辑的方式推进基因治疗。这项研究与其他科学家的努力一起，可以标志着新一代基因治疗策略的开始，就像CRISPR核酸酶、单碱基编辑器（base editor）和先导编辑器（prime editor）代表了新一代基因编辑技术的开始一样。”（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://phys.org/news/2021-12-prime-inserts-entire-genes-human.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。