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原创 [[生物世界]] 2021-12-12 14:22
[[文件:刘如谦1.jpg]]

撰文 | 王聪
编辑 | 王多鱼
排版 | 水成文

2021年7月13日，碱基编辑技术奠基人刘如谦创立的新公司 Prime Medicine 宣布完成3.15亿美元的巨额融资。该公司正是围绕刘如谦团队此前开发的新型基因编辑技术先导编辑（Prime Editor，PE）。

2019年10月21日，麻省理工学院-哈佛大学Broad研究所刘如谦（David R. Liu）教授在 Nature 发表论文【1】，开发了一种全新的精准基因编辑工具——先导编辑（Prime Editor，PE），无需依赖DNA模板便可有效实现所有12种单碱基的自由转换，而且还能有效实现多碱基的精准插入与删除（最多插入44个碱基，或删除80个碱基）。该工具“原则上可以修复75000种已知致病性人类遗传变异的89%”。

Nature 杂志评论这一技术是“超精确的新型基因编辑工具”， Science 杂志评论它是“超越CRISPR”的重大突破，哈佛大学教授，CRISPR先驱乔治·丘奇（George Church）盛赞这一成果：“朝着正确方向迈出的一大步”。

此后的两年时间里，全世界各地数百个实验室纷纷证实了先导编辑的强大性，刘如谦也围绕该技术创建了新公司 Prime Medicine ，并于2021年7月13日完成3.15亿美元的融资。

精准靶向基因组中特定序列，从而进行确实、替换、整合或倒位，既能用来研究人类遗传疾病，同时也能用来治疗人类遗传疾病。但现有的方法通常需要进行DNA双链断裂（DSB），而DNA双链断裂可能会导致不良后果，例如不可预知的基因序列的插入或缺失、染色体异常、潜在致癌风险等等。

碱基编辑（Base Editor）和先导编辑（Prime editor）无需DNA双链断裂即可实现精准基因编辑，但是它们都不能实现对数百乃至数千个碱基片段的DNA的修改。

2021年12月9日，刘如谦团队再度带来重要突破，在 Nature Biotechnology 发表了题为：Programmable deletion, replacement, integration and inversion of large DNA sequences with twin prime editing 的研究论文【2】。

刘如谦团队开发了升级版先导编辑，将其命名为——双先导编辑（Twin Prime Editing，TwinPE）。TwinPE同样不会导致DNA双链断裂，通过一个先导编辑蛋白（prime editor protein）和两个向导RNA（pegRNA），实现对人类基因组的可编程的大片段DNA的删除、替换、整合和倒位，为治疗复杂人类遗传疾病或大型基因突变所致的人类遗传疾病提供了有效工具。


先导编辑（PE）可以在不引入DNA双链断裂和供体DNA模板的前提下，有效实现所有12种单碱基的自由转换，而且还能有效实现多碱基的精准插入与删除

先导编辑（PE）系统由两部分组成：一个含有DNA切口酶（nickase）和工程逆转录酶（RT）的融合蛋白；另一个是PE引导RNA——pegRNA。pegRNA包含一个指定目标位点的间隔体（spacer），一个单引导RNA（sgRNA）支架和一个编码所需编辑的3'端扩展。

该3'端扩展包含一个引物结合位点（PBS），它是互补的一部分DNA原间隔和一个RT模板，编码所需的编辑和下游基因组序列。PE系统与靶位点结合后，将含有PAM序列的DNA链切出，切出的DNA链碱基对与pegRNA中的PBS结合，从而将反转录的编辑序列直接引到靶DNA位点。新合成的编辑DNA的3'端随后通过细胞DNA修复途径分解，最终在目标位置进行所需的编辑。

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PE系统工作示意图

要想实现对大片段DNA的修改，需要长pegRNA逆转录模板和长距离DNA聚合，这会导致编辑效率大大降低。相比之下，位点特异性重组酶（SSR） 可以切除、倒位和整合哺乳动物细胞中的大片段DNA序列。



在这项新研究中，刘如谦团队使用两个pegRNA指导先导编辑蛋白（prime editor protein）在DNA互补链上分别切割单链，然后在DNA修复系统的作用下，两个切口位点之间的内源DNA序列被替换掉。


刘如谦团队将TwinPE系统对杜氏肌营养不良症细胞进行了验证，成功实现了高达780个碱基长度的DNA精确删除，包括51号外显子，编辑效率高达28%，而且仅有5.1%的插入缺失（indel）。相比之下，Cas9虽然实现了更高的50%的编辑效率，但插入缺失（indel）却高达45%。



为了实现对大片段DNA的编辑，刘如谦团队将该系统与位点特异性丝氨酸重组酶结合，通过该重组酶将导入的工体DNA片段整合到基因组中，能够实现长达5.6k的DNA片段插入。相比锌指蛋白、DNA双链断裂、同源重组等方法，优势明显。

刘如谦团队还使用该工具对亨特综合征（Hunter Syndrome）进行了验证，亨特综合征也被称为II型粘多糖病，是一种X染色体连锁遗传病，由大约40k长度的DNA倒位所致。twinPE与位点特异性丝氨酸重组酶结合，能够倒位这段长达40k的DNA序列，效率可达9.6%。


总的来说，刘如谦团队开发的这款新型编辑器 TwinPE，扩展了精确基因编辑的能力，可实现对大片段DNA的删除、替换、整合和倒位，为治疗复杂人类遗传疾病或大型基因突变所致的人类遗传疾病提供了有效工具。
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