时隔两年，刘如谦大大提高先导编辑效率，有望解决89%的遗传病

撰文 | nagashi

编辑 | 王多鱼

排版 | 水成文

宇宙无垠，生命的可能无穷无尽。在神话故事中，无论是女娲造人，还是上帝创生，都是由一个高等的存在去创造出自然生命。有趣的是，随着人类对遗传进化的认知发展，如今科学家们也逐渐可以操控并更改一个生物的基因组，创造出特殊的“人造生物”。

无论是生命科学还是医学领域，对生命系统基因组进行有针对性的改变的能力无疑是至关重要的。因此，科学界一直致力于开发新型基因编辑工具，不断提高基因编辑的效率和精确度，使其功能愈渐完善。

2019年10月21日，麻省理工学院-哈佛大学Broad研究所刘如谦（David R. Liu）教授在 Nature 发表论文【1】，开发了一种全新的精准基因编辑工具——先导编辑（Prime Editor，PE），无需依赖DNA模板便可有效实现所有12种单碱基的自由转换，而且还能有效实现多碱基的精准插入与删除（最多插入44个碱基，或删除80个碱基）。该工具“原则上可以修复75000种已知致病性人类遗传变异的89%”。

Nature 杂志评论这一技术是“超精确的新型基因编辑工具”， Science 杂志评论它是“超越CRISPR”的重大突破，哈佛大学教授，CRISPR先驱乔治·丘奇（George Church）盛赞这一成果：“朝着正确方向迈出的一大步”。

此后的两年时间里，全世界各地数百个实验室纷纷证实了先导编辑的强大性，刘如谦也围绕该技术创建了新公司 Prime Medicine ，并于2021年7月13日完成3.15亿美元的融资。

两年后的2021年10月4日，刘如谦团队再度带来重要突破，大大提高了先导编辑的效率，为这一新型基因编辑技术的临床应用扫除障碍。

该研究以：Engineered pegRNAs improve prime editing efficiency 为题，发表在了 Nature Biotechnology 期刊上【2】。

该研究发现，先导编辑（Prime Editor，PE）系统的引导RNA——pegRNA的3’区域的降解会破坏PE系统的活性，从而阻碍基因编辑效率。研究团队对此区域进行了优化，开发出工程化的pegRNA，即epegRNA，将PE系统的编辑效率提高了3-4倍，且没有增加脱靶编辑活性。

DNA双链断裂（DSB）介导的DNA编辑策略，如ZFN、TALEN以及CRISPR技术，可以通过诱导靶位点的插入或删除而有效地破坏基因。但有时候，DNA双链断裂也会造成一些不良的后果，包括预料之外的编辑结果、DNA重排、染色体碎裂等等。

先导编辑（Prime Editor，PE）可以在不引入DNA双链断裂和供体DNA模板的前提下，有效实现所有12种单碱基的自由转换，而且还能有效实现多碱基的精准插入与删除

先导编辑（Prime Editor，PE）系统由两部分组成：一个含有DNA切口酶（nickase）和工程逆转录酶（RT）的融合蛋白；另一个是PE引导RNA——pegRNA。pegRNA包含一个指定目标位点的间隔体（spacer），一个单引导RNA（sgRNA）支架和一个编码所需编辑的3’端扩展。

该3’端扩展包含一个引物结合位点（PBS），它是互补的一部分DNA原间隔和一个RT模板，编码所需的编辑和下游基因组序列。PE系统与靶位点结合后，将含有PAM序列的DNA链切出，切出的DNA链碱基对与pegRNA中的PBS结合，从而将反转录的编辑序列直接引到靶DNA位点。新合成的编辑DNA的3’端随后通过细胞DNA修复途径分解，最终在目标位置进行所需的编辑。

时隔两年，刘如谦大大提高先导编辑效率，有望解决89%的遗传病

PE系统工作示意图

PE系统的多功能性来自pegRNA的3’端扩展能力，以编码广泛的DNA序列。然而，尽管PE系统具有多功能性，但目前它的效率在不同的目标位点和细胞类型之间有很大的差异。

在这项研究中，研究团队对PE系统在不同细胞中的编辑效率差异进行了调查。基于pegRNA的3’端延伸暴露在细胞中（未被融合蛋白包裹），研究团队猜测pegRNA的3’端延伸的降解是导致编辑效率降低的罪魁祸首。

为了验证这一假设，研究小组观察了全长pegRNA和截短的pegRNA在细胞中的差异。pegRNA的3’端区域包含逆转录酶模板和引物结合位点，3’端截短的pegRNA能够竞争目标基因组点，阻止全长pegRNA的结合，从而阻碍PE系统的编辑效率。

时隔两年，刘如谦大大提高先导编辑效率，有望解决89%的遗传病

不同pegRNA的编辑效率

在确认降解的pegRNA是先导编辑的有效抑制剂之后，研究团队转向研究如何最小化pegRNA的降解。基于细胞中5’或3’端RNA结构可以增强mRNA的稳定性，研究人员对pegRNA的3’端区域进行了结构优化——在pegRNAs的3’端添加结构RNA基序生成epegRNA，大大地减少了pegRNA的降解。

时隔两年，刘如谦大大提高先导编辑效率，有望解决89%的遗传病