Nature：揭示体细胞基因组编辑的发展机遇和挑战

2021年4月13日讯/生物谷BIOON/---遗传因素导致了大多数类型的人类疾病，包括遗传性疾病、传染性疾病和恶性疾病。因此，生物医学科学的一个长期目标是开发一种手段来修改患者体内的基因组，以校正致病突变，使入侵病原体的基因组失效，使免疫细胞攻击肿瘤，并使无数其他治疗机会得以实现。在某些情况下，基因添加可以具有治疗价值，而且基因疗法正在经历越来越多的成功。然而，在许多其他情况下，必须对患者的基因组进行编辑才能达到治疗效果。基因组编辑广泛地包括不同的技术，可以在不同的环境下做出许多不同的基因组改变，这个话题已经成为近期的全面综述的主题。基因组编辑中的几个概念（图1）是SCGE联盟（Somatic Cell Gene Editing Consortium, 体细胞基因编辑联盟）的目标和战略的核心。

在过去的几十年里，技术的稳步发展使得用户可编程的基因组编辑已被引入，测试，改进和实施。这些技术包括同源重组、锌指核酸酶（ZFN）、归巢核酸内切酶（meganuclease）和转录激活因子样效应物核酸酶（TALEN）。最近，源自细菌免疫途径的工程化分子复合物称为CRISPR-Cas系统，已经彻底改变了基因组编辑，部分原因是它们的靶序列可以简单地用易于设计的向导RNA进行编程。尽管有了这些有希望的进展，但在治疗性基因组编辑的转化潜力可以充分实现之前，挑战仍然存在。

在一篇新的观点（Perspective）类型文章中，作者概述了SCGE联盟的目标和战略，该联盟是由美国国家卫生研究院（NIH）成立的，旨在加快制定应对这些挑战的解决方案。NIH在6年内拨款约1.9亿美元支持SCGE联盟，该联盟如今包括来自38家研究机构的72名主要研究人员，他们正在开展45个不同但又相互结合的项目。

在过去十年之前，最著名的基因组编辑平台（ZFN、归巢核酸内切酶、TALEN和CRISPR-Cas9/Cas12a系统）几乎完全依赖于这样一种认识，即对核酸酶诱导的基因组断裂的修复可以被用来诱导基因组编辑（图1a）---无论是基因敲除（通过非同源末端连接（NHEJ）或微同源介导的末端连接（MMEJ）产生的插入或缺失），还是通过同源介导的修复（HDR）进行精确校正。一些编辑事件涉及到载体衍生的“货物”序列插入到基因组：对能够完成这一任务的重组酶和转置酶的自然例子已经研究了几十年，一些载体（例如，慢病毒载体）正在应用于基因治疗和基因组编辑。此外，一些平台可以通过与其他效应蛋白结合在一起，以部分或完全无核酸酶活性的形式实现。这些策略包括碱基编辑（base editing，即融合的脱氨酶酶重写单个核苷酸，而不诱导双链断裂）和引导编辑（prime editing，即融合的逆转录酶通过扩展的向导RNA模板引入编辑）。无核酸酶活性的形式也可以与改变染色质而不改变DNA序列的酶融合到一起（图1a）。当然，没有一种平台适合所有的情况，而且成功实现编辑的关键因素包括效率（预期位点有多少被编辑）、精度（所需的编辑与不所需的编辑的相对频率）和准确性（多少脱靶位点被无意编辑，以及在多大程度上被无意编辑）。

图1.用于在体内编辑细胞基因组的工具。图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03191-1。

针对体细胞的基因组编辑既可以在体外进行，然后将编辑后的细胞重新导入患者体内，也可以在体内进行，这时需将编辑复合物送到体内组织。对体细胞组织和生殖系组织进行编辑的一个重要的区别：后者有可能将基因变化传递给后代。SCGE联盟严格专注于体细胞编辑；生殖系编辑不仅被排除在目标之外，而且被认为是一种不可接受的结果，应谨慎防止。

基因组编辑技术已经在各种疾病的动物模型中显示出功效，包括癌症、血液和代谢紊乱、遗传性失明和耳聋、神经肌肉疾病和神经系统疾病。这些成功证明了向大型动物模型发展的合理性。早期阶段的临床试验表明，自体编辑细胞可以稳定地在人体中定植和持续存在，而且早期报告表明体外编辑的异体T细胞可抵抗癌症，以及使用自体造血干细胞消除镰状细胞疾病患者对输血的需求。

然而，体外编辑在逻辑上是复杂的，昂贵的，难以规模化，因为它需要大量的细胞制造基础设施。因此，在体内对体细胞编辑的方法正在开发中，初步目标包括难以在体外制造的细胞类型（例如，在视网膜（NCT03872479）和肝脏（NCT03041324和NCT04601051））。这些研究强调了基因组编辑在改善人类健康方面的巨大潜力。然而，它们也突显了需要解决这些技术的关键限制。具体来说，体内编辑在疗效和安全性方面仍然面临着巨大的障碍，特别是在眼睛和肝脏以外的器官系统。

为了在体内获得成功，编辑器必须能够诱导细胞中任何目标核酸（包括细胞核DNA和线粒体DNA）发生一系列编辑。编辑器必须高效，但也必须安全，具有可接受的毒性水平，并尽量减少对先天性免疫反应的激活。对编辑器或递送载体的适应性免疫也必须进行管理，特别是在需要重新给送以编辑所需比例的目标细胞群体的情况下。同样，预存免疫（pre-existing immunity）在某些情况下可能需要加以抑制或规避。一个特别艰巨的挑战是开发的递送技术，以安全和有效的方式递送编辑复合物到众多的组织中。这些作者试图更好地控制他们打算在每个靶位点上产生的精确的基因组变化，减少靶位点和脱靶位点发生非预期修改的可能性，并更好地理解非预期编辑事件的生物学后果。

基因编辑疗法开发的最大障碍是建立安全有效的递送策略。基因组编辑领域已开发出许多病毒和非病毒递送方法。事实上，最近监管部门批准使用腺相关病毒(AAV)和慢病毒载体的基因疗法，以及基于短干扰RNA(siRNA)和反义RNA的药物，提供了可用于基因组编辑的经验。然而，许多为基因疗法开发的载体，通常专注于长期表达以补偿遗传缺陷，但对于基因编辑来说，并不一定是最佳的，因为基因编辑通常需要短暂递送编辑器。最常用的编辑器也带来了其他挑战，包括它们的大尺寸（SpyCas9和TALEN），它们的重复序列和需要递送异源二聚体（ZFN和TALEN）的两个组件，以及需要递送核糖核蛋白复合物（RNP，比如在CRISPR中）。最后，在不适当的组织中的在靶活性或脱靶活性的风险强调了确保靶向正确组织的必要性。总体而言，这些挑战为创新提供了相当大的机会。

在2017年通过一系列利益相关者研讨会回顾了该领域的现状后，NIH共同基金指出了跨越多种临床适应症、基因和靶组织的需求。大家的共识是，该领域需要新的基因组编辑器、递送系统和生物系统来衡量各种基因组编辑策略的安全性和有效性。NIH共同基金随后在2018年启动了SCGE联盟，组建了一批多学科团队，致力于解决这些需求的各个项目。

SCGE联盟的总体目标是加速基因组编辑技术向各种组织和疾病的转化。该领域的主要挑战之一是使用共同的指标和标准对各种技术进行比较。例如，一种视网膜递送系统可能会在感兴趣的基因处产生在靶插入或缺失（on-target indel），但不清楚这种相同的递送系统是否可以校正肺部中的不同基因。SCGE项目中交织着能够混合和匹配各种技术和读数的发展路径。在一个例子中，SCGE项目前三年开发的所有新的递送技术将首先在小动物（例如，小鼠）中进行测试，然后---如果成功的话---在猪和非人类灵长类动物中进行测试。由此产生的第三方数据将与更大的研究界和公众共享。SCGE联盟的一个关键价值是透明性，这使得其他人能够获得其研究产出，并利用其结果和产品为他们自己的疾病重点项目提供信息和加快研发进度。除了数据，这些作者旨在提供一系列工具、试剂、方法和最佳实践，这些工具、试剂、方法和最佳实践将被整合到SCGE治疗性基因组编辑工具包（简称SCGE工具包，图1b）中。通过这些活动和可交付成果，SCGE联盟力求减少开发新疗法所需的时间和成本，以便产生持久的影响。

由于对人类基因组的深入了解和生物工程能力的迅速发展，基因组编辑技术的临床转化出现了新的机会。SCGE联盟旨在开发新技术和改造现有工具，以立即利用这些机会，确定和减轻安全风险，并将治疗性基因组编辑扩展到最具挑战性的体细胞组织环境中。以前的大型项目不仅通过产生新知识，而且通过开发一个共同的框架，确保可重复性，应用共同的标准，并建立不同技术的互操作性，推进了基因组学的前沿。在这些努力的启发下，SCGE方案旨在推动基因组编辑领域向更广泛的人类治疗应用发展。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Krishanu Saha et al. The NIH Somatic Cell Genome Editing program. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03191-1.