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Prime editing!新型CRISPR基因组编辑系统在人类细胞中精确性多能性无可匹敌!

日期: 2019年10月25日


    

麻省理工学院和哈佛大学博德分校的David Liu团队开发了一种新的CRISPR基因组编辑方法:新方法将分子生物学中两个最重要的蛋白质——CRISPR-Cas9和逆转录酶——整合到一起。

 

该系统称为"prime editing,",能够以精确、高效和高度通用的方式直接编辑人体细胞。该方法扩大了生物学和治疗学研究的基因编辑范围,并有可能纠正多达89%的已知致病基因变异。

 

“分子生命科学的一个主要愿景是具有能够在任何位置精确地改变基因组的能力。我们认为prime editing使我们更接近这个目标。”David Liu是核心研究所成员、Richard Merkin教授、麻省理工学院和哈佛大学Board学院医疗转化技术Merkin研究所负责人,也是这篇发表在《自然》上的文章高级作者。“我们还没有发现别的基因编辑技术能在哺乳动物细胞中提供这样高水平的多功能性和精确度,而副产物又如此之少。”第一作者安德鲁·安扎洛(Andrew Anzalone)Broad学院Liu实验室的Jane Coffin Childs博士后。

 

CRISPR新方法

 

Prime editing与以前的基因组编辑系统不同,在人细胞中它使用RNA指导新DNA序列的插入。

 

Cas9蛋白是第一个用于在人类细胞中进行基因组编辑的CRISPR工具,它是由Broad研究所(麻省理工学院和哈佛大学)率先开发的(前段时间Broad和张峰初步打赢了CRISPR的官司,不过最近CRISPR诉讼又开始了)。Cas9会在每条DNA链上切割,从而完全切割断裂DNA。这工具可以在特定位置破坏靶基因,使之能够通过重组将新的DNA重组到这个位点,让添加新的序列成为可能。

 

早前由Liu的实验室首先开发的编辑工具Base editor基于此技术,将Cas9与其他能够进行单个碱基置换反应的蛋白质融合,当前版本的Base editors可以有效地进行四种类型的单碱基置换:C到T,T到C,A到G和G到A。

 

新的prime editing系统则是将Cas9与另一种称为逆转录酶的蛋白质偶联。这个分子复合物使用目标DNA位点的一条链“引导”或“启始”直接将编辑过的遗传信息“写入”基因组。

 

一种新的合成guide RNA,称为pegRNA,负责将prime editor引导至其靶位点,在这里,经过修饰的Cas9会切割DNA的一条链。pegRNA还包含了另外一段新编辑序列的RNA核苷酸。逆转录酶读取这段RNA延伸的新编辑序列,并将其逆转录写入靶点DNA。

 

按需求进行编辑

 

在《自然》杂志的论文中,研究小组证明了prime editor技术能够准确纠正导致镰状细胞性贫血的基因变异——需要将特定的T转化为A;还有Tay Sachs病(一种罕见神经性疾病,黑蒙痴呆症)——要求在基因组的精确位置去除四个DNA碱基。

 

研究人员进一步报告了一系列在人类细胞和原代小鼠神经元中各种成功的编辑类型,包括用单碱基置换的所有12种可能方式、插入长达44个DNA碱基的新DNA片段、精确删除多达80个DNA碱基,和结合了这些不同类型编辑的修饰。

 

“通过prime editor,我们现在可以将镰状细胞贫血突变直接改回正常序列,并去除导致Tay Sachs病的四个额外的DNA碱基,而无需完全切割DNA,不需要DNA模板,”David Liu表示。他不单是哈佛大学化学与化学生物学教授,还是霍华德·休斯医学研究所研究员。“该系统的优点在于,对编辑的序列几乎没有限制。由于添加的核苷酸是由pegRNA指定的,因此它们可以是与原始链仅一个字母不同,具有更多或更少字母、或这些变化的各种组合。”

 

“随着我们开发这项技术,prime editor的多功能性很快变得显而易见,”Anzalone回忆说。“我们可以将新的遗传信息直接复制到目标位点,这真是出乎意料。我们感到非常兴奋。”

 

研究人员报告说,进行精确修改时,相比需要在每条DNA链上进行邻近断裂的方法,prime editing能够成功实现基因编辑,而“脱靶”的副作用发生率很低。根据研究小组的数据,prime editing还可以实现对原来base editor难以访问的靶序列进行精确的单核苷酸置换。

 

Liu的团队打算继续优化prime editing,包括最大程度地提高prime editing在许多不同细胞类型中的效率,进一步研究prime editing对细胞的潜在影响,在疾病的细胞和动物模型中进行更多测试,并探索在动物中的递送机制为将来在人体治疗应用探索途径。

研究人员和Broad Institute免费向学术界和非营利性社区提供此技术,包括通过非营利性Addgene共享载体,不需要许可证(棒!)。

 

Broad Institute提供prime editing工具,以非排他性地许可用于公司的研究和制造以及工具和试剂的商业开发。对于人类治疗用途,博德研究所已在包容性创新模式下将该技术许可给Prime Medicine。正如公开报道的那样,Beam Therapeutics已从Prime Medicine获得了分许可,以在某些领域和某些应用中使用prime editing。(Liu是Prime Medicine和Beam Therapeutics的顾问和联合创始人。)

 

 Beam Therapeutics

 

转载标题:Prime editing!新型CRISPR基因组编辑系统在人类细胞中精确性多能性无可匹敌!

 

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