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Nature重磅 | 基因編輯里程碑成果，David Liu開發新系統，無需供體DNA模板，有望治療大部分遺傳病

北大- 2019-12-13

大多數導致疾病的遺傳變異很難有效糾正，且沒有過多的副產物。近期，博德研究所David Liu團隊在Nature 在線發表題為”Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA“的研究論文，該研究描述了Prime編輯，這是一種通用且精確的基因組編輯方法，它使用融合了工程逆轉錄酶的催化受損的Cas9，將新的遺傳信息直接寫入指定的DNA位點，并使用Prime編輯向導RNA（pegRNA）進行編輯。

研究人員在人細胞中進行了175次以上的編輯，包括靶向插入，缺失和所有12種類型的點突變，而無需雙鏈斷裂或供體DNA模板。研究人員在人類細胞中應用了Prime編輯功能，以有效地糾正鐮狀細胞疾病（要求HBB發生轉化）和Tay-Sachs病（要求HEXA發生缺失）的主要遺傳原因。四個人類細胞系和有絲分裂后的小鼠皮層神經元原代以不同的效率支持Prime編輯。與堿基編輯相比，Prime編輯提供了效率和產品純度方面的優勢；與堿基編輯相比，具有互補的優勢和劣勢，并且在已知Cas9脫靶位點處的脫靶編輯比Cas9核酸酶低得多。Prime編輯大大擴展了基因組編輯的范圍和能力，并且原則上可以糾正約89％的已知致病性人類遺傳變異。截止文章發表，Editas Medicine股票大漲。 2019年12月12日，上海科技大學陳佳，楊貝及中國科學院上海營養與健康研究所楊力在Cell 發表題為“One Prime for All Editing”的點評文章，指出這種“一勞永逸”的編輯系統將推動生物醫學研究的發展，并具有對人類健康的臨床潛力。

在任何活細胞或有機體的基因組中進行任意改變的能力都是生命科學的長期愿望。盡管基因組編輯技術取得了飛速發展，但與疾病相關的已知> 75,000種人類遺傳變異中的大多數仍然難以糾正。可編程核酸酶（例如CRISPR-Cas9）產生雙鏈DNA斷裂（DSB），可以通過在靶位點誘導插入和缺失（indels）的混合物來破壞基因。

然而，DSB與不期望的結果相關，包括易位和p53激活等。此外，絕大多數病原體等位基因來自特定的插入，缺失或堿基取代，需要更精確的編輯技術來糾正。

體外和酵母細胞中Prime編輯和可行性研究的概述

DSBs刺激的同源性定向修復（HDR）已被廣泛用于精確的DNA編輯。但是，HDR依賴于外源供體DNA修復模板，通常會通過DSB的末端修復產生過量的indel，并且在大多數治療相關的細胞類型（T細胞和某些干細胞是重要的例外）中效率低下。雖然提高DSB介導的編輯的效率和精度仍然是有前途的工作的重點，但這些挑戰促使人們探索替代的精確基因組編輯策略。

PE1和PE2對人類細胞中的基因組DNA進行初步編輯

堿基編輯可以有效地進行四個堿基轉換突變（C→T，G→A，A→G和T→C），而無需在包括哺乳動物在內的許多細胞類型和生物體中使用DSB，但目前無法執行八個轉換突變（C→A，C→G，G→C，G→T，A→C，A→T，T→A和T→G），例如需要從T?A到A?T突變直接糾正鐮狀細胞病（HBB E6V）的最常見原因。此外，尚無報道采用無DSB的方法進行靶向缺失，如去除引起Tay-Sachs病（HEXA 1278 + TATC）的4堿基重復，或靶向插入，如需要直接插入3個堿基來糾正最常見的囊性纖維化病因（CFTRΔF508）。因此，即使在大多數細胞類型中，有針對性的轉化，插入和缺失也很難有效校正，并且沒有過多的副產物，即使它們共同構成了大多數已知的致病等位基因。

PE3和PE3b系統在非編輯鏈上刻痕以提高Prime編輯效率

在這里，研究人員描述了Prime編輯的發展，一種“搜索并替換”的基因組編輯技術，可在人細胞中介導靶標插入，缺失，所有12種可能的堿基間轉換及其組合，而無需DSB或供體DNA模板。最初以PE1為例的Prime編輯器（PE）使用與RNA可編程切口酶融合的逆轉錄酶（RT）和Prime編輯擴展的指導RNA（pegRNA），將遺傳信息從pegRNA的延伸部分直接復制到目標基因組DNA位點中。 PE2使用工程RT來提高編輯效率，而PE3切掉未編輯的鏈以誘導其替換并進一步提高編輯效率。

在HEK293T細胞中的七個內源基因組位點，用PE3靶向插入，缺失和所有12種類型的點突變。

與已知的Cas9脫靶基因座相比，Prime編輯提供的脫靶活性遠低于Cas9，與Cas9引起的HDR相比，副產物少得多，效率更高或相似，并且與堿基編輯器相比具有互補的優勢和劣勢。通過無需DSB或供體DNA模板即可進行精確的靶向插入，缺失和所有12種可能的點突變類別，Prime編輯具有促進絕大多數致病等位基因研究和校正的潛力。