一种名为先导编辑的基因组编辑方法有朝一日可能通过修复缺陷基因使其正常运作，从而治疗许多疾病。然而，这一技术存在产生意外变化的小风险，这些变化可能是有害的。麻省理工学院科学家已经找到了一种方法，通过工程改造驱动先导编辑的蛋白质来大幅降低错误率。研究人员表示，这一改进可能使针对广泛疾病的基因疗法开发变得更加容易。

"这篇论文概述了一种新的基因编辑方法，它不会使传递系统复杂化，也不增加额外步骤，但却能实现更精确的编辑，减少不需要的突变，"麻省理工学院名誉教授、科赫综合癌症研究所成员、该研究的资深作者之一菲利普·夏普说。

利用他们的新策略，MIT团队能够将先导编辑器的错误率从最常用编辑模式的约七次编辑一个错误改善到101次编辑一个错误，或从高精度模式的122次编辑一个错误改善到543次编辑一个错误。

"对于任何药物，你想要的都是既有效又副作用尽可能少的东西，"MIT大卫·H·科赫研究所教授、科赫研究所成员、该研究的资深作者之一罗伯特·兰格说。"对于任何可能进行基因组编辑的疾病，我认为这最终将是一种更安全、更好的方法。"

科赫研究所研究科学家维卡什·乔汉是这篇今天发表在《自然》杂志上的论文的主要作者。

错误的可能性

最早的基因疗法形式在1990年代首次测试，涉及传递由病毒携带的新基因。随后，使用锌指核酸酶等酶来矫正基因的基因编辑技术得到了发展。然而，这些核酸酶难以工程化，因此使它们适应不同序列是一个非常费力的过程。

多年后，在细菌中发现了CRISPR基因组编辑系统，为科学家提供了一个潜在更容易的编辑基因组的方法。CRISPR系统由一种叫做Cas9的酶组成，它可以在特定位点切割双链DNA，以及一个告诉Cas9在哪里切割的向导。研究人员已经调整了这种方法来切除有缺陷的基因序列或插入新的序列，遵循RNA模板。

2019年，MIT和哈佛布罗德研究所的研究人员报告了先导编辑的发展：一个基于CRISPR的新系统，更精确且脱靶效应更少。最近的一项研究报告称，先导编辑器被成功用于治疗一名患有慢性肉芽肿病（CGD）的患者，这是一种影响白细胞的罕见遗传疾病。

"原则上，这项技术最终可以通过直接在细胞和组织中矫正小突变来解决数百种遗传疾病，"乔汉说。

先导编辑的优势之一是它不需要在目标DNA中进行双链切割。相反，它使用Cas9的修改版本，只切割互补链中的一条，打开一个襟翼，可以插入新序列。与先导编辑器一起传递的向导RNA作为新序列的模板。

然而，一旦新序列被复制，它必须与旧DNA链竞争才能被整合到基因组中。如果旧链胜过新链，悬挂的额外新DNA襟翼可能意外地被整合到其他地方，产生错误。

这些错误中的许多可能相对无害，但有些可能最终导致肿瘤发展或其他并发症。在最新版本的先导编辑器中，不同编辑模式的错误率范围从七次编辑一个错误到121次编辑一个错误。

"我们现在拥有的技术确实比早期的基因治疗工具好得多，但总是有这些意外后果的机会，"乔汉说。

精确编辑

为了降低这些错误率，MIT团队决定利用他们在2023年研究中观察到的现象。在那篇论文中，他们发现虽然Cas9通常每次都在相同的DNA位置切割，但蛋白质的一些突变版本显示出这些约束的放松。这些Cas9蛋白质不是总是在同一位置切割，有时会在DNA序列上进一步一到两个碱基的位置进行切割。

研究人员发现，这种放松使旧DNA链变得不太稳定，因此它们被降解，使新链更容易被整合而不引入任何错误。

在这项新研究中，研究人员能够识别出将错误率降低到原来1/20的Cas9突变。然后，通过结合这些突变的配对，他们创造了一个Cas9编辑器，进一步降低了错误率，达到原来的1/36。

为了使编辑器更加准确，研究人员将他们的新Cas9蛋白质整合到一个具有RNA结合蛋白的先导编辑系统中，该蛋白能更有效地稳定RNA模板的末端。这个最终编辑器，研究人员称之为vPE，错误率仅为原来的1/60，不同编辑模式的范围从101次编辑一个错误到543次编辑一个错误。这些测试是在小鼠和人类细胞中进行的。

MIT团队现在正在通过进一步修改Cas9和RNA模板来进一步改善先导编辑器的效率。他们还在研究将编辑器传递到身体特定组织的方法，这是基因治疗中的一个长期挑战。

他们还希望其他实验室开始在研究中使用新的先导编辑方法。先导编辑器通常用于探索许多不同的问题，包括组织如何发育、癌细胞群体如何进化，以及细胞如何对药物治疗做出反应。

"基因组编辑器在研究实验室中被广泛使用，"乔汉说。"所以治疗方面是令人兴奋的，但我们真的很兴奋地看到人们如何开始将我们的编辑器整合到他们的研究工作流程中。"

这项研究由生命科学研究基金会、国家生物医学成像和生物工程研究所、国家癌症研究所以及来自国家癌症研究所的科赫研究所支持（核心）资助金资助。

编译自/ScitechDaily