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先导编辑让分子剪刀迈向超精确

日期:2019-11-29 09:36:06 来源: 中国科学报 点击:

近日,《自然》在线刊发了美国布罗德研究所教授刘如谦(David Liu)等研发的基因编辑新技术——先导编辑(prime editing)。

布罗德研究所由美国哈佛大学和麻省理工学院共同成立。刘如谦等人在文章中宣布,利用这种新技术,课题组已经实现对镰状细胞病和戴萨克斯症遗传因素的修正,未来,89% 的人类已知致病基因变异或可被纠正。

“如果先导编辑的效率足够高,且后续验证工作未发现脱靶现象,特别是无法预测的脱靶,那么先导编辑很有可能取代原有技术,尤其是碱基编辑技术。” 中国农业大学生物学院教授陈其军在接受《中国科学报》采访时表示。

鹊巢鸠占,骗过细胞

接受采访时,多名研究人员都用 “巧妙” 一词形容先导编辑技术。

先导编辑产生的前提是分子剪刀——CRISPR-Cas9 系统,让基因编辑在活细胞中的操作更便捷有效。但让基因编辑 “指哪打哪” 并非易事。分子剪刀在 DNA 链条上剪开缺口后,DNA 会自行修复,基因编辑也在此时进行,但修复过程中很可能出现不可控结果。

比如 DNA 双链被剪开后,需要引入新的 DNA 模板让其 “依葫芦画瓢”,而最终很可能因“画得不像” 而被修复机制识破,导致基因编辑失败。

先导编辑巧妙之处在于将 CRISPR-Cas9 和逆转录酶整合到一起,仅对 DNA 双链的其一进行切割,让分子剪刀更稳、更精准。接着,在先导物帮助下,逆转录酶以一条 RNA 为模板,逆转录出新的 DNA。这条新 DNA 直接连接于分子剪刀的切口处,与原有序列展开竞争。

在优化后的先导编辑中,新 DNA 有较高概率撬动原有序列,通过细胞自带的碱基修复机制连接到基因组上。而原有序列则成了多余,被修复机制去除。至此,基因编辑功能实现,“鹊巢鸠占” 的故事告一段落。

令人称绝的是,刘如谦等人在研究中用到的逆转录酶和 RNA 模板等引导手段已有先例,但将这些整合在一起的思路实属首创。“这的确是一个巧妙的设计,也相对简单。” 北京大学生命科学学院研究员魏文胜对《中国科学报》表示。

“先导” 之美

与以往技术相比,先导编辑能实现的功能更多。在布罗德研究所发布的新闻稿中,刘如谦本人表示,先导编辑这一技术的美丽之处,就在于其 “对编辑序列的限制非常少”。他还表示,“分子生命科学的主要愿景就是希望能在全基因组范围内精确地进行改变,好的编辑手段让人们更接近这一目标。”

在论文中,刘如谦等人列出了在无需 DNA 模板、无需 DNA 双链断裂的前提下,在人肾上皮细胞系(HEK293T)、人肉骨瘤细胞系(U2OS)、人慢性髓系白血病细胞系(K562)和海拉细胞系(HeLa)中的编辑结果。其中,在 293T 中,经过优化的先导编辑系统最高效率可达 78%。

“理论上,先导编辑在技术层面的脱靶效应不会太大。” 陈其军表示。与只能实现 4 种单碱基置换的碱基编辑技术相比,先导编辑可实现 12 种碱基置换,涵盖单碱基置换的所有可能,且最多可插入 44 个碱基对、删除 80 个碱基对。“如果先导编辑的效率达到一定高度,碱基编辑几乎可以肯定会被淘汰,尤其是在植物中。” 陈其军说。

优化再优化

尽管先导编辑的出现让分子剪刀的精准度提升到新高度,但有观点认为,这项技术若想真正应用于临床,还须更精确。

依照现有公开实验数据,先导编辑与同源重组相比,对 U2OS 细胞和 HeLa 细胞等进行编辑的结果并不具有绝对优势。此外,先导编辑可控片段的长度也有优化空间。

无论是碱基编辑还是先导编辑,分子剪刀都需要引入不同的酶,而在细胞内过表达这些酶存在风险。

“从原理上讲,这一方法可以避免一些脱靶问题,但还需要进一步评估。” 魏文胜说,“新技术的问世不意味着对旧技术的完全否定,新技术带有各种各样的特点,这些特点好坏与否,有待后续完成的工作来验证。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1711-4


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