麻省理工學院博德研究所(Broad Institute of MIT)和哈佛大學(Harvard)的科學家們改進了一種基因編輯技術，該技術現在能夠有效地在人類細胞基因組中插入或替換整個基因，足以用于潛在的治療應用。Broad核心研究所成員David Liu的實驗室取得的這一進展，有一天可能會幫助研究人員開發出一種單基因療法，用于治療由數百或數千種不同基因突變之一引起的囊性纖維化等疾病。使用這種新方法，他們將在基因組的原始位置插入一個健康的基因拷貝，而不必使用其他進行較小編輯的基因編輯方法來創建不同的基因療法來糾正每個突變。

這種新方法結合了prime編輯和新開發的重組酶，前者可以直接進行大范圍的編輯，最多可達100或200個堿基對，后者可以有效地在基因組的特定位點插入數千個堿基對的大片段DNA。這個系統被稱為eePASSIGE，它可以比其他類似的方法更有效地進行基因大小的編輯，并在《Nature Biomedical Engineering》上發表。

技術要點：

• 基因編輯的目標：傳統的基因編輯技術主要集中于小范圍的DNA序列修改，而這項新技術能夠進行大范圍的基因編輯，甚至能夠插入或替換整個基因。

• eePASSIGE系統：它結合了prime編輯技術和新開發的重組酶。prime編輯能夠進行大范圍的編輯，而重組酶能夠在基因組的特定位點插入大片段的DNA。

• 應用前景：這項技術有望開發出單基因療法，治療如囊性纖維化等由多種基因突變引起的疾病。通過在基因組的原始位置插入健康的基因拷貝，可以避免針對每種突變開發不同的療法。

• 效率提升：eePASSIGE系統在效率上顯著優于現有技術，能夠在小鼠和人類細胞中實現高達30%的基因整合效率，這為臨床應用提供了希望。如果eePASSIGE系統的效率能夠在臨床環境中得到體現，許多由功能喪失基因引起的遺傳疾病都有望得到改善或治療。

• 改進的重組酶：通過使用PACE（噬菌體輔助連續進化）工具，進化出了更有效的Bxb1重組酶版本，即eeBxb1，這大大提高了基因編輯的效率。

• 下一步研究：Liu的團隊正在探索將eePASSIGE與遞送系統（如工程病毒樣顆粒）結合，以克服基因編輯在體內治療中的遞送障礙。

 “據我們所知，這是哺乳動物細胞中可編程靶向基因整合的第一個例子之一，滿足潛在治療相關的主要標準，”David Liu說。“在這些效率下，如果我們在培養的人類細胞中觀察到的效率可以轉化為臨床環境，我們期望許多(如果不是大多數)功能喪失的遺傳疾病可以得到改善或拯救。”

Liu小組的研究生Smriti Pandey和博士后研究員Daniel Gao是該研究的共同第一作者，該研究還與明尼蘇達大學的Mark Osborn小組和Beth Israel女執事醫療中心的Elliot Chaikof小組合作。

Pandey說:“這個系統為細胞治療提供了很有希望的機會，在給病人治療疾病之前，它可以用來精確地將基因插入體外細胞，以及其他應用。”

“看到eePASSIGE的高效率和多功能性是令人興奮的，它可能會成為一種新的基因組藥物類別，”Gao補充說。“我們也希望它能成為整個研究界的科學家用來研究基本生物學問題的工具。”

改進的過程

許多科學家已經使用prime編輯來有效地對DNA進行長達數十個堿基對的修改，足以糾正絕大多數已知的致病突變。但是，將整個健康基因(通常有數千個堿基對長)引入基因組的原始位置，一直是基因編輯領域的一個長期目標。這不僅有可能治療許多患者，而不管他們的致病基因發生了哪種突變，而且還可以保存周圍的DNA序列，這將增加新安裝的基因得到適當調節的可能性，而不是表達太多、太少或在錯誤的時間。

2021年，Liu的實驗室報告了實現這一目標的關鍵一步，并開發了一種稱為twinPE的prime編輯方法，該方法將重組酶“著陸點”安裝在基因組中，然后使用天然重組酶(如Bxb1)催化將新DNA插入prime編輯的目標位點。

Liu與人共同創立的生物技術公司Prime Medicine很快就開始使用這項技術，他們稱之為PASSIGE(prime編輯輔助位點特異性整合酶基因編輯)，來開發遺傳性疾病的治療方法。

PASSIGE只在一小部分細胞中進行編輯，這足以治療一些(但可能不是大多數)由于失去功能基因而導致的遺傳疾病。因此，Liu的團隊在今天報告的新工作中著手提高PASSIGE的編輯效率。他們發現重組酶Bxb1是限制PASSIGE效率的罪魁禍首。然后，他們使用Liu的團隊先前開發的一種名為PACE(噬菌體輔助連續進化)的工具，在實驗室中快速進化出更有效的Bxb1版本。

由此產生的新進化和工程化的Bxb1變體(eeBxb1)改進了eePASSIGE方法，在小鼠和人類細胞中整合平均30%的基因大小的貨物，是原始技術的4倍，是最近發表的另一種方法的16倍，稱為PASTE。

Liu說:“eePASSIGE系統為研究在我們選擇的遺傳疾病的細胞和動物模型中整合健康基因拷貝以治療功能喪失疾病提供了一個有希望的基礎。我們希望這個系統將被證明是朝著實現目標基因整合對患者的好處邁出的重要一步。”

帶著這個目標，Liu的團隊現在正致力于將eePASSIGE與遞送系統(如工程病毒樣顆粒(eVLPs))結合起來，這可能會克服傳統上限制基因編輯器在體內治療遞送的障礙。

Efficient site-specific integration of large genes in mammalian cells via continuously evolved recombinases and prime editing


（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-6/20240610185244581.htm）