Nat Biotechnol：新型先导编辑系统可在人细胞中插入完整的序列

2021年12月19日讯/生物谷BIOON/---先导编辑（prime editing）首次开发于2019年，是一种在人类细胞中进行广泛的基因编辑的精确方法，包括小型替换、插入和缺失。在一项新的研究中，来自美国布罗德研究所的研究人员开发了一种新版本的先导编辑：双先导编辑（twin prime editing, twinPE），它可以整入或置換出基因大小的DNA序列。相关研究结果于2021年12月9月在线发表在Nature Biotechnology期刊上，论文标题为“Programmable deletion, replacement, integration and inversion of large DNA sequences with twin prime editing”。

这些作者利用twinPE技术进行两个相邻的先导编辑，从而在基因组的特定位置引入较大的DNA序列，同时很少产生不需要的副产物。随着进一步的开发，该技术有可能被用作一种新的基因疗法，以安全和高度针对性的方式插入治疗性基因，以取代突变或缺失的基因。

这些作者通过在人类细胞中编辑一个与亨特综合征（一种罕见的遗传性疾病）有关的基因，展示了twinPE的治疗潜力。这种疾病是由一个特定的长40000个碱基对的DNA序列倒位引起的。他们利用twinPE在基因组的相同位点引入了一个类似长度的DNA序列倒位，显示了该方法如何被用来校正致病突变。他们还使用twinPE精确地将长数千个碱基对的基因大小的DNA序列插入到基因组中与治疗有关的位点上。

这种方法解决了原始先导编辑系统的一个限制：它只能编辑几十个碱基对。然而，对某些遗传疾病的研究或治疗可能需要更大的编辑。与原始先导编辑方法一样，twinPE也没有通过在同一位置同时切割两条链来完全切断DNA双螺旋，因为这可能会诱发控制不良的编辑结果和有害的染色体异常。

论文通讯作者、布罗德研究所梅尔金医疗保健变革性技术研究所主任David Liu说，“在患者身上插入一个健康的基因而不产生双链断裂和一系列副产物一直是基因编辑的长期挑战之一。twinPE可能是一种潜在的更安全和更精确的方式，将有治疗意义的完整基因插入到我们指定的位置，比如健康个体中天然基因的位置或被认为可将副作用风险降至最低的‘安全港’位置。”

精确编辑

由Liu实验室开发的先导编辑能够实现DNA替换、插入和缺失，并有望校正大多数已知的致病基因变异。最近对先导编辑技术的改进提高了它的效率，使得它更接近于治疗性应用。但对长度超过100个碱基对的序列进行编辑的效率仍然不高。

twinPE填补了这一空白。该系统使用一个先导编辑蛋白（prime editor protein）和两个对编辑进行编码的先导编辑向导RNA（prime editing guide RNA, pegRNA）。这两个gRNA中的每一个都引导这个先导编辑蛋白在位于基因组的不同靶位点的DNA上产生单链缺口，避免了其他方法中产生不必要的副产物的双链断裂现象。然后，该系统合成两条新的互补DNA链，所合成的互补DNA链包含位于这两个单链缺口之间的序列。通过使用这种方法，这些作者能够插入、替换或剔除长达大约800个碱基对的序列。

twinPE介导CCR5的序列替换，图片来自Nature Biotechnology, 2021, doi:10.1038/s41587-021-01133-w。

为了编辑更大的序列，这些作者使用他们的twinPE系统在基因组中为称为位点特异性重组酶的酶插入“着陆点”，其中这类酶在基因组的特定位点催化DNA的整合。他们随后用重组酶处理细胞，并将他们想要的长片DNA插入到基因组中。通过组合使用twinPE和重组酶，他们可以对数千个碱基对长的序列---整个基因的长度---进行编辑。

Liu和他的团队如今正在测试不同的可能会使twinPE更有效率的重组酶。他们还在评估twinPE整入更长基因序列的能力。

Liu说，“包括我们在内的许多实验室的一个长期愿望是能够以科学家们在过去几年中推进基因编辑的方式推进基因治疗。这项研究，连同其他科学家的其他研究工作，可能标志着新一代基因治疗策略的开始，就像CRISPR核酸酶、碱基编辑器和先导编辑代表了新一代基因编辑技术的开始。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Andrew V. Anzalone et al. Programmable deletion, replacement, integration and inversion of large DNA sequences with twin prime editing. Nature Biotechnology, 2021, doi:10.1038/s41587-021-01133-w.