新的基因編輯工具可以修復遺傳缺陷，減少不良影響

CRISPR基因編輯方法改變了生物學，使科學家能夠通過糾正危險的突變來修飾基因以治療或預防遺傳疾病，並創造出許多新的轉基因動植物。但是，該技術涉及使用一種稱為核酸酶的酶，該酶可作為分子剪刀來“切割” DNA，但會產生意想不到的影響。在DNA中進行此類雙鏈斷裂會導致不需要的遺傳物質被插入或刪除，從而可能產生後果，包括激活導致癌症的基因。如果不產生這些不良的遺傳副產物，大多數突變就不能輕易糾正。

2016年，哈佛大學和麻省理工學院的大衛·劉（David Liu）領導的一個團隊開發了另一種方法，稱為鹼基編輯，該方法允許科學家無需依賴雙鏈斷裂就可以對單個DNA字母進行精確的編輯。但是，該技術只能用於固定“點”基因突變的12種類型中的4種，包括插入、刪除和二者的結合。

現在，劉博士實驗室的博士後研究員安德魯·安扎洛尼（Andrew Anzalone）及其同事開發了一種新的基因編輯工具，該工具可以避免這些雙鏈斷裂，並可以校正所有12種類型的點突變。研究人員在週一發表於《自然》雜誌上的一項研究中報告說，研究人員在實驗室生長的人類細胞中使用了他們稱為“原始編輯”的新技術，以糾正導致鐮狀細胞病和tay-sachs病的基因缺陷。他們說，他們的方法比傳統的CRISPR效率更高（某些細胞類型除外），而且脫靶效應更小。原則上，它可以糾正約89％的已知人類遺傳缺陷，這些缺陷會引起疾病，儘管它仍然是一項非常新的技術，需要更多的研究才能用於治療人類。

加州大學伯克利分校分子與細胞生物學教授、創新基因組學研究所技術與翻譯科學主任費奧多爾·烏爾諾夫說：“從大局來看，初級編輯的發明是所有基因編輯站起來歡呼的時刻。”加州大學舊金山分校。“

基本編輯可能是一種非常有效的修復（基因）的方法，”烏爾諾夫說，他沒有參與這項研究，但曾是這篇論文的審稿人。但他警告說，“實際上，這些還處於初期。”

圖片來源：麻省理工學院和哈佛大學 S. Hamilton＆K. Zusi Broad學院

主要編輯器由兩個部分組成，一個蛋白質和一個RNA分子。第一種是普通CRISPR酶Cas9的工程化形式，與第二種稱為逆轉錄酶的酶結合。第二個是工程化的指導RNA，稱為pegRNA，它既可以指定DNA中的靶位點，又可以用作所需編輯的模板。在目標位點，經過工程改造的Cas9在一條DNA鏈上形成一個缺口，逆轉錄酶直接將pegRNA複製到連接在該點上的新DNA鏈中，一個字母一個字母地附著在這一點上。這將產生帶有編輯序列的DNA額外“片段”。然後，主編輯器剪切未編輯的鏈，並將其替換為已編輯的鏈。

“如果核酸酶（例如Cas9）像剪刀一樣，基本編輯器像鉛筆一樣，那麼主要編輯器就像文字處理器一樣，” Liu說。它們為DNA提供了一種“搜索和替換”功能。

Anzalone和他的同事們將原始編輯與CRISPR常用的DNA修復機制進行了比較，發現新方法更有效（意味著它成功編輯了更高比例的細胞），插入和刪除的次數也少得多。使用主要編輯，團隊可以達到大約20％到50％的效率，在某些情況下甚至可以達到78％，具體取決於單元類型。對於某些疾病，例如鐮狀細胞，甚至有25％到30％的效率也可以緩解某些症狀。其他諸如囊性纖維化將需要更高的效率。

已知CRISPR酶Cas9在基因組的許多位點具有意外或脫靶作用。研究人員表明，最新編輯方法在這些位置上產生較少的脫靶效應。他們認為這是因為，Cas9只需要一個DNA配對實例，而主要編輯則需要三個配對，這意味著隨機配對的可能性更低，這可能會產生不良影響。

其他研究人員稱讚這種新方法，儘管他們指出該技術仍處於早期階段。CRISPR的幾位先驅者之一的張峰（Feng Zhang）也是布羅德研究所（Broad Institute）的一員，但並未參與這項研究，他稱這是“一種創新的方法，進一步擴大了可進行的遺傳改變的範圍。”（Zhang是聯合創始人）正在開發基於CRISPR療法的Editas Medicine and Beam Therapeutics公司）

劍橋大學生物化學教授Jussi Taipale稱其為“重大進步”，“從基因組切割工具轉向真正的基因組編輯工具”。

“看到CRISPR-Cas9工具箱中的另一種工具真是令人興奮！”伯克利大學的CRISPR先驅JenniferDoudna補充道，他不是這項研究的合著者，但與Liu實驗室合作。（Doudna是Caribou Biosciences，Editas Medicine，Scribe Therapeutics和Mammoth Biosciences的共同創始人，所有公司都致力於CRISPR技術。）

像每種新技術一樣，高級編輯也有其侷限性，在科學家考慮將其應用於人類之前必須克服這些侷限性。

首先，科學家必須弄清楚如何以安全有效地到達目標細胞的方式將工具遞送到體內的細胞。Anzalone和他的同事在研究中探索了病毒和非病毒的遞送方法，並計劃在動物中進行其他研究。

Urnov說，另一個問題是工程酶和RNA是否可以激活人體的免疫系統。他補充說，RNA最初來自細菌，而酶則來自病毒，因此兩者是“我們從未見過的類似的嵌合體” （經典CRISPR也面臨類似的挑戰。）

張說，引入逆轉錄酶還可以將細胞中的其他RNA複製到DNA中，然後將其摻入基因組中，從而產生不良影響。

最後，就是效率。張說，他們獲得的結果是有希望的，但在某些疾病特異性細胞類型上將需要改善。

原始編輯不太可能取代CRISPR或鹼基編輯等技術。Liu指出：“核酸編輯器（例如Cas9），基本編輯器和主要編輯器都有優點和缺點。” 他說：“我們預計這三個課程都將在治療和研究中發揮作用。”

Urnov將不同的基因編輯工具比作狗的品種-每個都有自己的專門功能

。例如，邊境牧羊犬擅長放牧綿羊，而德國牧羊犬是好的警犬。當談到基因編輯時，他說：“老實說，我們沒有足夠的數據來說明什麼是最廣泛使用的‘狗’。”

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