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刘如谦放大招:超越CRISPR 实现碱基任意转换与增删 可修正89%的致病性基因突变

原创 文/BioWorld 2019-10-23 09:46:00 来源:BioWorld

Broad研究所刘如谦研究开发了一种全新的精准基因编辑工具——先导编辑,可修正89%的人类遗传病。

2019年10月21日,单碱基编辑技术开创者,Broad研究所刘如谦(David R. Liu)教授在Nature杂志发表题为:

Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA的研究论文。

该研究开发了一种全新的精准基因编辑工具——先导编辑(Prime Editor),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)。

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”。

先导编辑(Prime Editor),将Cas9酶(蓝色)和逆转录酶(红色)结合成复合物,在gRNA(绿色)的引导下,将该复合物带到DNA双螺旋(黄色和紫色)的特定位置,并保留在该位置插入新DNA序列。

CRISPR基因编辑技术

 是一种在2012年被发明的极其强大的基因组编辑工具,2013年2月,张锋等人首次将CRISPR技术用于人类细胞的基因编辑,很快取得了一系列辉煌的成果,目前CRISPR基因编辑技术已经开始用于人类遗传病治疗的临床试验。但是,目前CRISPR基因编辑技术仍然显得有些笨拙。

CRISPR基因编辑有时会改变它不应该改变的基因,也就是所谓的脱靶效应,此外,CRISPR基因编辑依赖于DNA双链断裂,从而可能导致基因编辑后的细胞出现不可预期的混乱,这些缺陷的存在限制了其在基础研究和农业中的使用,并在医学上构成安全隐患。

2016年4月20日,刘如谦等人在Nature发表论文,首次可以通过可靠、可预测的方法,实现对改变活细胞基因组中的单个碱基进行修改。

2017年10月25日,刘如谦等人进一步升级,开发出了单碱基编辑器(Base Editor),将Cas9和APOBEC(胞嘧啶脱氨酶)整合,能够在不造成DNA双链断裂的情况下,将A-T碱基对转换为G-C碱基对,实现对基因组点突变的定点矫正修复。

许多遗传性疾病是由单个碱基突变导致的,因此,单碱基编辑器的出现,为治疗许多单碱基遗传病提供了强大的方法,刘如谦也因此被 Nature 评为“2017年影响世界十大科学人物”。

但是,单碱基编辑器有局限性,并不能任意编辑所有碱基,而且,2019年3月1日,中国科学家杨辉、高彩霞各自在 Science 发表研究论文,证实单碱基编辑器存在严重的意料之外的脱靶效应,这也为原本前景乐观的单碱基编辑技术蒙上了一层阴影。

详情:中国团队证实单碱基编辑存在严重脱靶效应

不能任意编辑所有碱基,存在脱靶效应,这是单碱基编辑技术面临的两大问题,为了解决这两个问题,许多卓越的科学家在不懈努力,以期开发出效果更好、脱靶性更低的单碱基编辑系统。

为了解决这两个问题,刘如谦团队在Cas9酶和gRNA两方面进行了重大改造:一是改造gRNA,在其3’末端增加了一段RNA序列,形成所谓的pegRNA;二是改造Cas9酶,将Cas9酶的变体(H840A突变型,只切断含PAM的靶点DNA链)与逆转录酶融合,形成融合蛋白复合体。

pegRNA的3’端序列有双重角色,一段序列作为引物结合位点(PBS),与断裂的靶DNA链3’末端互补以起始逆转录过程,另一端序列则是逆转录的模板(RT模板),其上携带有目标点突变或插入缺失突变以实现精准的基因编辑。

刘如谦团队对 Prime Editor 在人类和小鼠细胞中进行了175种以上的基因编辑实验,成功修复了导致镰状细胞性贫血症和Tay-Sachs病的基因突变。

镰状细胞性贫血症,是一种常染色体显性遗传病,因编码血红蛋白的基因中发生了A到T的单碱基突变,导致血红蛋白β-肽链第6位氨基酸谷氨酸变成缬氨酸,构成镰状血红蛋白,取代了正常血红蛋白。该疾病的纯合子很难存活到成年。Tay-Sachs病,是一种常染色体隐性遗传病,因HEXA基因发生突变,多出4个碱基,导致HEXA基因编码的脂质分解酶失活,从而导致神经节苷脂在大脑中聚集至中毒水平,通常患者只能存活至两三岁,该疾病在犹太人中发病率相对较高。

这两种遗传病,使用传统的基因组编辑系统要么无法修复,要么效率低下。

而刘如谦团队使用 Prime Editor成功修复了这两种基因突变,不仅效率大大提高,而且脱靶效应更低,刘如谦团队在论文中表示,该技术“原则上可以修复75000种已知致病性人类遗传变异的89%”。

为了促进先导编辑(Prime Editor)发展,进一步检验和改进这种新型基因编辑方式,刘如谦团队已向学术界和非盈利组织免费公开这一系统。

据了解,刘如谦已围绕这项新碱基编辑工具Prime Editor创建了新公司 Prime Medicine。

这也是刘如谦作为创始人或联合创始人的第七家科技公司。

之前刘如谦与张锋等人已联合创建了三家基因编辑领域公司:基因编辑dota2下注公司Editas Medicine、单碱基编辑公司Beam Therapeutis、基因编辑农业公司Pairwise Plants。

张锋教授(左)、David Liu教授(中)、J. Keith Joung教授(右)

其中,Editas Medicine已经成功上市,Beam Therapeutis也已经提交上市申请,Pairwise Plants已获得数千万美元融资。

论文链接:

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