重磅基因編輯工具誕生 它究竟牛在哪裡?

2020-12-05 健康一線視頻網

今日，頂尖學術期刊《自然》在線發表了一篇關於基因編輯的重要論文。來自Broad研究所的CRISPR大牛劉如謙（David Liu）教授團隊開發了一種新型的基因編輯技術，有望修復大約89%的已知人類致病變異。這項研究在發表之前，就已經在一些學術會議上得到了很多科學家的關注。正式上線後，更是引起了業內的點讚和熱議，被認為是「極為重要」的成果。

▲學術經緯團隊提前從《自然》獲得了經授權的校對版本（圖片來源：參考資料[1]）

那麼，這項技術究竟牛在哪裡？要講清楚這一點，我們還要先看看傳統的基因編輯是怎麼做的。

目前，應用最為廣泛的基因編輯技術之一，便是CRISPR-Cas9系統。在這套系統裡，Cas9蛋白會在目標DNA序列上切出口子，造成雙鏈DNA斷裂。隨後，再利用同源重組等方法，在DNA修復的過程中對基因組進行編輯。

▲傳統的CRISPR-Cas9基因編輯方法示意圖（圖片來源：J LEVIN W [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]）

這一方法雖然有效，但很粗暴。打個比方，這就好像一頁書上有錯別字，為了修正書上的錯誤，要把這整頁書給撕下來，再重新粘上一頁那樣。可以想像，這樣的工作談不上優雅，也容易產生潛在的問題。

過去，包括劉如謙教授課題組在內，一些科學家們開發出了「單鹼基編輯系統」。與傳統的CRISPR-Cas9系統不同，它將經過修飾的Cas9蛋白與另一種酶直接融合在一起。在目標DNA位點，它不會切開DNA鏈，而是對單個鹼基進行修改，如將A變成G，或是把C變成T。這一方法能夠對點突變進行「微調」，不過並不適合大段大段的修改。此外，它只能進行四種修改（比如不能把T變成A），還存在潛在的脫靶問題。

而在今日的這項研究中，我們見證了一種新型基因編輯技術的誕生。這種技術被稱為「先導編輯」（prime editing），核心之一是一種由Cas9蛋白與逆轉錄酶（reverse transcriptase）融合而成的特殊蛋白。該技術的另一個關鍵是一種特殊的gRNA，它被研究人員們稱為「pegRNA」，其中pe是「先導編輯」英文單詞的兩個首字母。

與普通的gRNA不同，這種pegRNA不但能夠結合想要進行編輯的特定DNA區域，還自帶「修改模板」。Cas9-逆轉錄酶融合蛋白會在pegRNA的引導下，精準地切開一條DNA鏈，然後根據「修改模板」，合成含有正確序列的DNA。細胞內的DNA修復機制會自動把這段新合成的序列整合進基因組。

隨後，研究人員們故技重施，在另一條DNA鏈上進行同樣的操作。這樣一來，兩條DNA都能得到正確的編輯。

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

「結果就是（給基因組帶來）永久的改變，這些改變來源於pegRNA所編碼的信息。」劉如謙教授說道。

正是由於這套系統的靈活性，原本不可能實現的單鹼基編輯（如將T轉變為A），也成為了可能。與單鹼基編輯只能進行4種轉換相比，這套先導編輯系統能進行12種單鹼基的轉化。也就是說，他們可以把任何鹼基轉化為任何其他鹼基，包含了所有的12種可能性。

在多種人類細胞中，研究人員們證實了這一系統的編輯能力。此外，它的編輯潛力在小鼠神經元裡也得到了證實。除了對單個鹼基進行修改之外，這一系統還能夠插入或刪除特定的DNA序列。根據論文，研究人員們最多可以插入44個鹼基，或是刪除80個鹼基。

「通過先導編輯技術，我們能直接修正鐮狀細胞貧血症的突變（學術經緯註：A突變成了T），讓序列回歸正常。我們也能移除戴薩克斯症（Tay Sachs disease）多出的4個鹼基。這都不需要完全切開DNA，或添加DNA模板，」劉如謙教授在Broad研究所的新聞稿裡說道：「這一系統的美麗之處在於幾乎對編輯的序列沒有限制。由於添加上的鹼基僅由pegRNA來決定，我們能加上與原本序列僅差1個鹼基的序列，也可以加上多了幾個，或少了幾個鹼基的序列。我們還可以對這些變化進行排列組合。」

可喜的是，研究人員們還發現，與需要斷開雙鏈DNA的傳統方式相比，先導編輯系統的脫靶編輯風險更低。

目前，這一系統已向學術界和非營利組織免費公開。

當然，由於這一系統依舊是一類全新的基因組編輯方法，因此還需要進一步的檢驗和改良，才能用於人類。不過，這一系統展示的潛力，已經讓我們看到了一個能夠有效治療罕見遺傳病的未來。我們期待這一天的早日到來。

參考資料：[1] Andrew V. Anzalone et al., (2019), Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA, Nature, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1711-4

[2] New CRISPR genome editing system offers a wide range of versatility in human cells, Retrieved October 21, 2019, from https://www.broadinstitute.org/news/new-crispr-genome-editing-system-offers-wide-range-versatility-human-cells

[3] New CRISPR tool has the potential to correct almost all disease-causing DNA glitches, scientists report, Retrieved October 21, 2019, from https://www.statnews.com/2019/10/21/new-crispr-tool-has-potential-to-correct-most-disease-causing-dna-glitches/

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