麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)博德分校的一個團隊通過將分子生物學(xué)中兩個最重要的蛋白質(zhì)CRISPR-Cas9和逆轉(zhuǎn)錄酶整合到一臺機器上，開發(fā)了一種新的CRISPR基因組編輯方法。

該系統(tǒng)稱為“原始編輯”，能夠以精確，高效和高度通用的方式直接編輯人體細(xì)胞。該方法擴大了生物學(xué)和治療學(xué)研究的基因編輯范圍，并有可能糾正多達(dá)89%的已知致病基因變異。

“分子生命科學(xué)的主要愿望是能夠在任何位置精確地改變基因組的能力。我們認(rèn)為主要的編輯使我們更接近該目標(biāo)。”核心研究所成員，理查德·默金教授，副主席戴維·劉說麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)博得學(xué)院醫(yī)學(xué)系變革醫(yī)學(xué)技術(shù)研究所所長。“我們還沒有發(fā)現(xiàn)哺乳動物細(xì)胞中的另一種編輯技術(shù)，它可以提供這種水平的多功能性和精確度，而副產(chǎn)物卻很少。”

Liu是今天發(fā)表在《自然》上的一篇文章的高級作者，該論文描述了主編。該研究還由第一作者安德魯·安扎洛(Andrew Anzalone)領(lǐng)導(dǎo)，安德魯·安扎洛(Andrew Anzalone)是Broad大學(xué)Liu實驗室的Jane Coffin Childs博士后。

CRISPR新方法

原始編輯與以前的基因組編輯系統(tǒng)不同，它使用RNA指導(dǎo)新DNA序列在人細(xì)胞中的插入。

Cas9蛋白是最早在人類細(xì)胞中進(jìn)行基因組編輯的CRISPR工具，它是由Broad研究所，麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)率先開發(fā)的。Cas9在每個DNA鏈上附近斷裂，從而完全切割了DNA。這些工具可以在特定位置破壞靶基因，然后通過將新的DNA重組到位點(由細(xì)胞本身控制)而添加新的序列成為可能。

由Liu的實驗室首先開發(fā)的基礎(chǔ)編輯器基于此技術(shù)，將Cas9融合到可以進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)上，從而將一個DNA字母轉(zhuǎn)換為另一個字母。當(dāng)前的庫編輯器可以有效地進(jìn)行四種類型的單庫更改：C到T，T到C，A到G和G到A。

新的主要編輯系統(tǒng)涉及將Cas9與另一種稱為逆轉(zhuǎn)錄酶的蛋白質(zhì)偶聯(lián)。分子復(fù)合物使用目標(biāo)DNA位點的一鏈“引發(fā)”或引發(fā)將編輯后的遺傳信息直接寫入基因組。

一種新型的工程化指導(dǎo)RNA，稱為pegRNA，將主要編輯器引導(dǎo)至其靶位點，在該位點，經(jīng)過修飾的Cas9切割DNA的一條鏈。pegRNA還包含其他編碼新編輯序列的RNA核苷酸。為了傳遞該信息，逆轉(zhuǎn)錄酶元件讀取RNA延伸并將相應(yīng)的DNA核苷酸寫入靶點。

按訂單進(jìn)行編輯

在《自然》雜志的論文中，研究小組證明了主要編輯技術(shù)能夠準(zhǔn)確糾正導(dǎo)致鐮狀細(xì)胞性貧血的基因變異，這種變異需要將特定的T轉(zhuǎn)化為A和Tay Sachs病，并要求在精確的位置去除四個DNA字母。在基因組中。

研究人員進(jìn)一步報告了人類細(xì)胞和原代小鼠神經(jīng)元中各種成功的編輯類型，包括用一種替換另一種DNA字母的所有12種可能方式，插入長達(dá)44個DNA字母的新DNA片段，精確刪除多達(dá)80個DNA字母和修改結(jié)合了這些不同類型的修改。

“通過初步編輯，我們現(xiàn)在可以將鐮狀細(xì)胞貧血突變直接改回正常序列，并去除導(dǎo)致泰晤士病的四個額外的DNA堿基，而無需完全切割DNA或不需要DNA模板，”哈佛大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)教授，霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員。“該系統(tǒng)的優(yōu)點在于，對編輯的序列幾乎沒有限制。由于添加的核苷酸是由pegRNA指定的，因此它們可以是與原始鏈僅一個字母不同，具有更多或更少字母或這些變化的各種組合。”

“隨著我們開發(fā)這項技術(shù)，主要編輯的多功能性很快變得顯而易見，” Anzalone回憶說。“我們可以將新的遺傳信息直接復(fù)制到目標(biāo)位點的事實是一個啟示。我們感到非常興奮。”

研究人員報告說，進(jìn)行精確度更改時，與需要在每條DNA鏈上進(jìn)行鄰近斷裂的方法相比，主要編輯能夠以較低的不良“脫靶”更改率實現(xiàn)成功的編輯。根據(jù)研究小組的數(shù)據(jù)，主要編輯還可以對堿基編輯者難以訪問的靶序列進(jìn)行精確的單核苷酸改變。

Liu的團隊打算繼續(xù)優(yōu)化主要編輯，包括最大程度地提高其在許多不同細(xì)胞類型中的效率，進(jìn)一步研究主要編輯對細(xì)胞的潛在影響，在疾病的細(xì)胞和動物模型中進(jìn)行額外測試，并探索動物的傳遞機制以提供潛在的人體治療應(yīng)用的途徑。

研究人員和Broad Institute正在免費向?qū)W術(shù)界和非營利性社區(qū)提供此技術(shù)，包括通過非營利性Addgene共享載體。對于這些組，不需要許可證。

Broad Institute正在提供主要的編輯工具，以非排他性地許可用于公司的研究和制造以及工具和試劑的商業(yè)開發(fā)。對于人類治療用途，博德研究所已在包容性創(chuàng)新模式下將該技術(shù)許可給Prime Medicine。正如公開報道的那樣，Beam Therapeutics已從Prime Medicine獲得了分許可，以在某些領(lǐng)域和某些應(yīng)用中使用主編輯。(Liu是Prime Medicine和Beam Therapeutics的顧問和聯(lián)合創(chuàng)始人。)