當科學(xué)家被問(wèn)及哪個(gè)基因編輯工具最迫切需要推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展時(shí)，他們可能會(huì )提到一個(gè)即將實(shí)現的系統——基因編輯工具evoCAST。

evoCAST旨在解決長(cháng)期困擾基因技術(shù)開(kāi)發(fā)的難題：如何將長(cháng)段DNA精準插入人類(lèi)基因組。相關(guān)成果已發(fā)表于《Science》期刊。

對高級基因編輯工具的需求

CRISPR-Cas、病毒和其他編輯系統使得許多正在開(kāi)發(fā)的基因藥物得以問(wèn)世，但現有的所有方法都有其缺陷。一些方法雖然精確，但只能進(jìn)行小規模的修正。病毒作為基因技術(shù)中最常用的方法，能夠插入完整基因，但插入是隨機的，且會(huì )激活免疫反應。

像evoCAST這樣的工具可以使基因應用更加可靠和高效，特別是對于那些由于多種突變引起的遺傳條件。

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1073530

圖片信息：evoCAST 基因編輯器的多個(gè)組分抓取一條 DNA 鏈（紅色）。

“例如，CFTR基因中的數百至數千種不同突變可以導致囊性纖維化，這就需要大量不同的基因編輯方法來(lái)確保機體都能得到合適的處理，”共同作者Samuel Sternberg表示。“而evoCAST可以使一種單一的基因策略將完整且健康的基因插入基因組。”

他補充道：“雖然還有許多工作要做，但evoCAST在這些系統的發(fā)展方面是一個(gè)重要里程碑，它能夠持久性地安裝一個(gè)完整的健康基因，而無(wú)需考慮潛在的遺傳缺陷。”

evoCAST還可以簡(jiǎn)化并更準確地進(jìn)行其他研究應用中的基因編輯，包括生產(chǎn)用于基因突變治療的CAR T細胞技術(shù)，以及用于生物醫學(xué)研究的轉基因細胞系和模式生物。

基于“跳躍基因”開(kāi)發(fā)的新編輯器

evoCAST基于Sternberg實(shí)驗室幾年前在細菌中發(fā)現的一種自然系統，該系統允許基因跳躍到細菌基因組的新位置。

該實(shí)驗室意識到CASTs（CRISPR相關(guān)轉座酶）的幾個(gè)特性使其成為潛在的基因編輯系統。該系統的一個(gè)優(yōu)勢是能夠在插入大型DNA片段時(shí)不破壞染色體，從而避免引入嚴重的意外錯誤。另一個(gè)優(yōu)勢是該系統具有“可編程性”，能夠將插入定向到研究者指定的基因組任何位置。

將細菌系統適應于人類(lèi)細胞的過(guò)程面臨挑戰。Sternberg的研究生George Lampey成功地使該系統在人體細胞中運作，但早期版本的技術(shù)效率較低。

Sternberg對此難度早有預料。“CAST系統旨在幫助移動(dòng)基因在進(jìn)化的時(shí)間尺度上跳躍。它們并不受選擇壓力，因此我們推測與CRISPR-Cas9相比，這些系統需要更多的努力來(lái)提高其活性。”

人工進(jìn)化提高基因編輯能力

Sternberg和 Lampey沒(méi)有僅僅依靠猜測來(lái)改進(jìn)他們的系統，而是向哈佛大學(xué)分子生物學(xué)家和有機化學(xué)家David Liu尋求協(xié)助，并建立了一種實(shí)驗室技術(shù)PACE，該技術(shù)加速了蛋白質(zhì)的演變。 Lampey將系統的性能推向了使PACE成為可行選擇的點(diǎn)，David Liu實(shí)驗室的兩位研究生Isaac Witte和Simon Eitzinger將該系統引入PACE，從而促成了數百輪進(jìn)化的進(jìn)行，且干預最小。

“PACE加速了進(jìn)化，并提高了酶的性能，超出了研究人員利用目標、合理設計修改所能達到的水平，”Lampey說(shuō)。“通過(guò)PACE獲得的突變大幅提升了整個(gè)CAST系統的性能。”

經(jīng)過(guò)數百輪進(jìn)化，新的evoCAST系統能夠編輯30%到40%的細胞，編輯效率明顯高于原系統的較低編輯率。

evoCAST系統已經(jīng)達到了適合某些基因編輯和應用的效率，研究人員希望能夠在更相關(guān)的模型系統中測試他們的系統。

與此同時(shí)，團隊還在繼續改進(jìn)，包括調整其他evoCAST組件，以進(jìn)一步提高編輯效率。

目前，evoCAST以及其他正在開(kāi)發(fā)的大型DNA編輯工具面臨的最大挑戰之一是如何實(shí)現有效交付。

“我們究竟如何才能將這些工具及其載荷送入感興趣的細胞或組織中？”Sternberg說(shuō)。“這是我們這一領(lǐng)域的許多人正在面臨的挑戰。”

期刊：Science

DOI：10.1126/science.adt5199