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。

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。

注：原文有删减

参考资料：

[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