劉如謙放大招:超越CRISPR 可修正89%的致病性基因突變

2021-01-19 臨床前線


2019年10月21日，單鹼基編輯技術開創者，Broad研究所劉如謙（David R. Liu）教授在Nature雜誌發表題為：Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA 的研究論文。


該研究開發了一種全新的精準基因編輯工具——先導編輯（Prime Editor），無需依賴DNA模板便可有效實現所有12種單鹼基的自由轉換，而且還能有效實現多鹼基的精準插入與刪除（最多插入44個鹼基，或刪除80個鹼基）。


Nature雜誌評論這一技術是「超精確的新型基因編輯工具」，Science雜誌評論它是「超越CRISPR」的重大突破，哈佛大學教授，CRISPR先驅喬治·丘奇（George Church）盛讚這一成果：「朝著正確方向邁出的一大步」。





先導編輯（Prime Editor），將Cas9酶（藍色）和逆轉錄酶（紅色）結合成複合物，在gRNA（綠色）的引導下，將該複合物帶到DNA雙螺旋（黃色和紫色）的特定位置，並保留在該位置插入新DNA序列。



CRISPR基因編輯技術是一種在2012年被發明的極其強大的基因組編輯工具，2013年2月，張鋒等人首次將CRISPR技術用於人類細胞的基因編輯，很快取得了一系列輝煌的成果，目前CRISPR基因編輯技術已經開始用於人類遺傳病治療的臨床試驗。但是，目前CRISPR基因編輯技術仍然顯得有些笨拙。


CRISPR基因編輯有時會改變它不應該改變的基因，也就是所謂的脫靶效應，此外，CRISPR基因編輯依賴於DNA雙鏈斷裂，從而可能導致基因編輯後的細胞出現不可預期的混亂，這些缺陷的存在限制了其在基礎研究和農業中的使用，並在醫學上構成安全隱患。


2016年4月20日，劉如謙等人在 Nature 發表論文，首次可以通過可靠、可預測的方法，實現對改變活細胞基因組中的單個鹼基進行修改。



2017年10月25日，劉如謙等人進一步升級，開發出了單鹼基編輯器（Base Editor），將Cas9和APOBEC（胞嘧啶脫氨酶）整合，能夠在不造成DNA雙鏈斷裂的情況下，將A-T鹼基對轉換為G-C鹼基對，實現對基因組點突變的定點矯正修復。



許多遺傳性疾病是由單個鹼基突變導致的，因此，單鹼基編輯器的出現，為治療許多單鹼基遺傳病提供了強大的方法，劉如謙也因此被 Nature 評為「2017年影響世界十大科學人物」。


但是，單鹼基編輯器有局限性，並不能任意編輯所有鹼基，而且，2019年3月1日，中國科學家楊輝、高彩霞各自在 Science 發表研究論文，證實單鹼基編輯器存在嚴重的意料之外的脫靶效應，這也為原本前景樂觀的單鹼基編輯技術蒙上了一層陰影。


不能任意編輯所有鹼基，存在脫靶效應，這是單鹼基編輯技術面臨的兩大問題，為了解決這兩個問題，許多卓越的科學家在不懈努力，以期開發出效果更好、脫靶性更低的單鹼基編輯系統。


為了解決這兩個問題，劉如謙團隊在Cas9酶和gRNA兩方面進行了重大改造：


一是改造gRNA，在其3』末端增加了一段RNA序列，形成所謂的pegRNA；


二是改造Cas9酶，將Cas9酶的變體（H840A突變型，只切斷含PAM的靶點DNA鏈）與逆轉錄酶融合，形成融合蛋白複合體。



pegRNA的3』端序列有雙重角色，一段序列作為引物結合位點（PBS），與斷裂的靶DNA鏈3』末端互補以起始逆轉錄過程，另一端序列則是逆轉錄的模板（RT模板），其上攜帶有目標點突變或插入缺失突變以實現精準的基因編輯。


劉如謙團隊對 Prime Editor 在人類和小鼠細胞中進行了175種以上的基因編輯實驗，成功修復了導致鐮狀細胞性貧血症和Tay-Sachs病的基因突變。


鐮狀細胞性貧血症，是一種常染色體顯性遺傳病，因編碼血紅蛋白的基因中發生了A到T的單鹼基突變，導致血紅蛋白β-肽鏈第6位胺基酸穀氨酸變成纈氨酸，構成鐮狀血紅蛋白，取代了正常血紅蛋白。該疾病的純合子很難存活到成年。


Tay-Sachs病，是一種常染色體隱性遺傳病，因HEXA基因發生突變，多出4個鹼基，導致HEXA基因編碼的脂質分解酶失活，從而導致神經節苷脂在大腦中聚集至中毒水平，通常患者只能存活至兩三歲，該疾病在猶太人中發病率相對較高。


這兩種遺傳病，使用傳統的基因組編輯系統要麼無法修復，要麼效率低下。


而劉如謙團隊使用 Prime Editor 成功修復了這兩種基因突變，不僅效率大大提高，而且脫靶效應更低，劉如謙團隊在論文中表示，該技術「原則上可以修復75000種已知致病性人類遺傳變異的89%」。


為了促進先導編輯（Prime Editor）發展，進一步檢驗和改進這種新型基因編輯方式，劉如謙團隊已向學術界和非盈利組織免費公開這一系統。


據了解，劉如謙已圍繞這項新鹼基編輯工具Prime Editor創建了新公司 Prime Medicine 。這也是劉如謙作為創始人或聯合創始人的第七家科技公司。



之前劉如謙與張鋒等人已聯合創建了三家基因編輯領域公司：基因編輯醫療公司Editas Medicine、單鹼基編輯公司Beam Therapeutis、基因編輯農業公司Pairwise Plants。

張鋒教授（左）、David Liu教授（中）、J. Keith Joung教授（右）


其中，Editas Medicine已經成功上市，Beam Therapeutis也已經提交上市申請，Pairwise Plants已獲得數千萬美元融資。




https://www.nature.com/articles/s41586-019-1711-4


本文轉自公眾號BioWorld。

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