從 1963 年美國分子生物學家、諾貝爾生理學/醫學獎獲得者 Joshua Lederberg 第一次提出 「基因交換」 和「基因優化」概念開始，科學界和醫學界對通過改變基因來治療疾病的研究越來越深入。經過長達五十多年的研究，基因治療已經從實驗室研究走向了臨床應用，以 CRISPR 技術為基礎的「三巨頭」 CRISPR Therapeutics、Editas Medicine、Intellia Therapeutics 也應運而生，分別開始了治療疾病的探索之路。
最近，一個叫做 Tessera Therapeutics（以下簡稱「Tessera」）的公司和其研發的 Gene Writing（以下簡稱「基因書寫」）技術引起了生輝的注意。與 CRISPR 技術改變少量鹼基或切斷 DNA 雙鏈不同，基因書寫技術可在不切斷 DNA 雙鏈的情況下將長段 DNA 序列精準插入基因組中，可改變基因的範圍更廣。
圖 | Tessera Therapeutics 正在開發一種新的基因編輯器，能夠精確地插入長段 DNA ーー這是 CRISPR 做不到的（來源：Tessera Therapeutics 官網）
Tessera 公司由著名生物醫療風投機構 Flagship Pioneering 於 2018 年創立。今年 7 月，該公司退出了 「隱身模式」，宣布獲得 5000 萬美元初始融資，正式走進大眾視野。在宣布「出道」 之時，外媒形容 Tessera 所研發的 Gene Writing 技術「能做很多 CRISPR 能做的事情，也能做 CRISPR 做不到的事，比如精準地插入長段 DNA。」
Flagship Pioneering 高級顧問 Jason Pontin 對生輝說：「Tessera 的 Gene Writing 技術平臺，代表了現有基因編輯技術（包括 Jenifer Doudna 和張鋒的 CRISPR 技術，以及哈佛大學的 David Liu 的先導編輯）的根本性進步，Gene Writing 技術讓研究人員可以將整個基因片段『寫』到基因組中，而不是剪斷 DNA 雙鏈或是編輯 DNA 的單個鹼基。」
生輝聯繫到了 Tessera 公司，並進行了專訪。
超級團隊
Tessera 的 CEO、聯合創始人兼董事 Geoffrey von Maltzahn 博士是 Flagship Pioneering 的 GP（General Partner），是麻省理工學院生物醫學工程和醫學物理學博士出身。此前，他和其他科學家創立了多家生物技術公司，包括細胞治療初創公司 Sana Biotechnology、微生物農作物初創公司 Indigo Agriculture、微生物代謝療法新銳 Kaleido Biosciences、AI 生物技術公司 Generate Biomedicines 等。他本人擁有超過 200 項專利及應用。
圖 |Tessera Therapeutics CEO、聯合創始人兼董事 Geoffrey von Maltzahn（來源：Tessera Therapeutics 官網）
該公司還有強大的「科學顧問團」。其科學顧問委員會主席是 Moderna 的首席科學官 Melissa Moore，委員會成員包括：美國哈佛大學合成生物學先驅 George Church、義大利基因治療領域專家 Luigi Naldini、加州大學伯克利分校的化學和生物分子工程學教授 David Schaffer 等，多位在基因療法和基因編輯領域有幾十年研究經驗的學者。
再來看看 Tessera 的管理團隊：其首席創新官 Jacob Rubens 不僅是 Flagship Pioneering 的合伙人，還是 Sana Biotechnology 公司聯合創始人。其副總裁 Cecilia 從事基因編輯、細胞工程和 DNA 損傷領域研究 20 多年，是張鋒所創辦的 Editas Medicine 公司最早僱傭的科學家之一。
「在過去的二十年中，遺傳醫學取得了長足進步。儘管對許多以前無法治癒的疾病具有治療前景，但現有基因治療和基因編輯技術還具有明顯的缺陷，為患者提供的價值有限。」 Geoffrey von Maltzahn 博士說。「所以在過去兩年中我們一直致力於開發一種新的技術——Gene Writing，旨在為科學家和醫生提供可將長段或短段 DNA 序列精準插入體細胞基因組的工具，從而從源頭上治癒疾病。」
什麼是「基因書寫」
Geoffrey von Maltzahn 博士向生輝介紹了基因書寫技術的原理：「Gene Writing 技術的靈感來自於可移動遺傳元件（mobile genetic elements，MGE），它是進化論中最偉大的基因組『架構師』。自從 20 世紀 50 年代 Barbara McClintock 在玉米上發現第一個可移動遺傳元件開始，人們就知道它在生物學中扮演著重要的角色。」
可移動遺傳元件是指一類能在基因組內移動的 DNA，包括：轉座子、噬菌體元件等。其中，轉座子是 Tessera 的主要研究對象之一。一段 DNA 序列從原位上單獨複製或斷裂下來，環化後插入另一位點，並對其後的基因起調控作用，此過程稱為轉座。這段 DNA 序列則被稱為轉座子或跳躍基因。目前 Tessera 公司的科學家已經確定了大約 6000 個逆轉錄轉座子（Tessera 稱之為基於 RNA 的基因書寫）和 2000 個具有潛力的轉座子（基於 DNA 的基因書寫）。
我們可以將人類的基因組看成一列 「火車」，把基因組上的 DNA 片段看成一節「車廂」。大多數「車廂」 在整列 「火車」 上的位置、順序是不變，而轉座子卻是可以移動自己位置的 「車廂」，例如從 2 號「車廂」 位置移動到 8 號 「車廂」 位置。在移動位置的過程中，轉座子可以通過 「剪切 - 粘貼」 或者 「複製 - 粘貼」 將原有 「車廂」 插入到新的位置，或者原有 「車廂」 不動而將複製後的 「車廂」 插入到新的位置上。轉座子的兩端有定義其邊界的特殊 DNA 序列，介於中間的是製造蛋白質的基因，可以將其切除，「騰出」空間加入新的基因片段。
圖 | 一類轉座子結構圖（來源：Biology animation videos）
基因書寫技術正是利用了轉座子可以攜帶目的基因並插入基因組的原理，對轉座子進行改造，從而實現將長段基因插入基因組的效果。
根據 Tessera 的介紹我們可以知道，通過利用可移動遺傳元件的生物學特性，基因書寫技術具有以下四大潛力可克服目前遺傳醫學所面臨的「困境」：
1、與基於核酸酶的基因編輯技術不同，基因書寫技術對於宿主 DNA 修復途徑的依賴很小，所以能夠有效地在體細胞基因組中加入長斷或小片段基因序列。
2、與基於腺相關病毒 (AAV) 載體的基因治療技術不同，新加入的 DNA 片段可永久性地存在於分裂細胞中。
3、可通過遞送 RNA 將新的 DNA 序列插入基因組中。
4、可對患者進行多次給藥，重複治療，這是目前基因療法還無法實現的治療方式。
那基因書寫技術在基因治療中的難點是什麼？基於 RNA 的基因書寫和基於 DNA 的基因書寫在治療疾病方面有何不同？基因書寫技術目前的進展如何？針對這些問題，生輝與 Tessera 進行了進一步探討。
獨家專訪
生輝：如何看待 CRISPR 技術? 基因書寫技術與 CRISPR 技術相比有什麼優勢?
Tessera：CRISPR 技術是一項令人驚嘆的技術，可對基因組進行編輯。然而， CRISPR 技術通常依賴宿主細胞的 DNA 損傷修復途徑來對基因組進行修改，但這些 DNA 損傷修復途徑的進化會限制基因組的改變，使得 CRISPR 技術在對基因組做出預期改變時效率低下，比如插入一大段 DNA。此外，CRISPR 技術在基因編輯過程中會造成 DNA 雙鏈斷裂，所以它並不是將外源基因插入基因組的理想工具。
相比之下，Gene Writing 技術可以將一大段外源基因插入基因組中，而很少依賴宿主修復途徑。這使得它成為一種更有效地將治療信息『寫』入基因組的技術。
生輝：我們發現張鋒團隊在 2019 年開發了 CRISPR 相關轉座酶（CAST）技術。如何看待這項技術，它與基因書寫技術有何不同？
Tessera：針對 CRISPR 的可移動遺傳元件研究是一個令人興奮的領域。2017 年，Joseph E. Peters 和 Eugene V. Koonin 團隊首次對其進行描述，後來，張鋒和 Sam Sternber 團隊證明了它們在細菌細胞中的作用。這些系統非常酷，但需要多個組件才能起作用，這限制了它們的治療適用性。我們一直在與 Joseph E. Peters 合作以發現新的具有基因『書寫』潛力的可移動遺傳元件，不像已發表的 CRISPR 相關轉座酶（CAST）系統那樣需要那麼多的蛋白質組件。
生輝：基於可移動遺傳元件的基因書寫技術在基因治療中的主要技術難點是什麼? 如何將該工具準確地遞送到特定位點?
Tessera：現在我們認識到，可移動遺傳元件是自然界中最普遍的基因，約佔我們基因組的 50%。然而，大多數可移動遺傳元件基因在基因組上並不活躍或活性較低。考慮到 DNA 序列的長度和可能不活躍基因的數量，選擇切入位點是一個複雜的計算過程，這是很大的挑戰。
我們並沒有被自然界中可移動遺傳元件的多樣性嚇倒，而是探索這種多樣性，期待為遺傳醫學中的多個關鍵問題找到解決方案。我們建立了一個計算管道來識別、分析和預測哪些可移動遺傳元件將在人類基因組上高度活躍。然後合成 DNA，將其遞送到細胞中，並通過高通量測序來衡量該可移動遺傳元件的基因『書寫』 活性。通過計算生物學，我們已經鑑定出 8000 多個候選可移動遺傳元件，通過評估和系統地篩選，這些元件可能成為在基因組中插入不同長度基因的『寫作者』。
生輝：基因書寫技術的穩定性如何？由可移動遺傳元件插入的基因是否會在基因組中出現移動的情況？
Tessera：我們不會把會移動的基因元素引入基因組中。相反，我們已經發現自然界中用來結合可移動遺傳元件的識別元素了。了解這些以後，我們就可以設計出從可移動遺傳元件到『書寫』基因組序列的工具，而沒有 『跳躍』 或運動的風險。
生輝：基於 RNA 的基因書寫和基於 DNA 的基因書寫在疾病治療中有什麼區別?
Tessera：基於 RNA 的 Gene Writing 是利用 RNA 模版將治療信息『寫』入基因組。其優勢在於可用脂質納米顆粒（LNP）進行遞送，就像傳遞 mRNA 和 RNAi 治療劑一樣。由於 LNP 沒有免疫原性，所以可能可以對患者進行多次給藥，直到他們表達足夠治療的蛋白質含量。
基於 DNA 的 Gene Writing 是以 DNA 作為模版將治療信息『寫』入基因組中。基於 DNA 的 Gene Writing 可以通過腺相關病毒（AAV）進行遞送。相比於基於 RNA 的 Gene Writing，基於 DNA 的 Gene Writing 可以插入數千個鹼基，插入基因長度更廣。
生輝：Tessera 如何克服 AAV 和 LNP 載體現有的瓶頸?
Tessera：AAV 載體的一個關鍵瓶頸是，它們在細胞分裂時不能複製，因此隨著時間的推移會被稀釋掉。這使得以 AAV 為遞送工具的藥物難以治療嬰兒和兒童的一些疾病。我們正在嘗試將 AAV 載體進行整合，以便於我們的 DNA Gene Writing 平臺在細胞分裂時依然能有效地進行修改。
另一個原因是由於免疫原性，AAV 載體難以在體內擴增。所以我們基於 RNA 的 Gene Writing 平臺使用了 LNP 載體，也降低了生產成本，為患者提供了更多的治療選擇。
生輝：Tessera 的研究進展如何？下一步的計劃是什麼？如何看待目前的基因治療？
Tessera：我們目前已經可以用 Gene Writing 技術永久性地改變小鼠的基因組，並且獲得了一些有前景的臨床前數據。現在正在投資計算和實驗室發現管道，以創造第二代 Gene Writing 技術。未來兩年的重點將是團隊的增長，計劃將團隊從 30 人擴大到 150 人，以便開始開發 Tessera 第一個候選治療方案。
遺傳醫學可以為病人提供治療，這是令人興奮的事。不過，目前該領域仍處於起步階段。總的來說，我們認為在 DNA 水平上糾正和預防疾病的工具將是本世紀最重要的醫學進步之一。