由麥戈文研究所研究人員開發的新方法可能導致更安全、更高效的基因療法。基因編輯，或有目的地改變一個基因的DNA序列，是研究突變如何導致疾病，以及為治療目的改變一個人的DNA的有力工具。

由麻省理工學院James W. (1963)和Patricia T. Poitras腦與認知科學教授馮國平領導的團隊現在已經開發出一種可用於這兩種目的的新型基因編輯方法。

這一技術進步可以加速動物疾病模型的生產，關鍵是為糾正致病突變開闢了一種全新的方法，馮國平也是哈佛大學和麻省理工學院布羅德研究所的成員以及麻省理工學院麥戈文大腦研究所的副主任。這些新發現於2021年5月26日在線發表在《細胞》雜誌上。

疾病的遺傳模型

馮實驗室的一個主要目標是通過工程化的動物模型，攜帶導致人類這些疾病的基因突變，精確定義神經發育和神經精神疾病的問題所在。新的模型可以通過給胚胎注射基因編輯工具，以及攜帶所需突變的DNA片段來生成。

在其中一種方法中，基因編輯工具CRISPR被編程為切割目標基因，從而激活自然DNA機制，用注入的模板DNA “修復”被破壞的基因。然後，工程細胞被用來產生能夠將基因變化傳遞給後代的後代，創造出一個穩定的基因係，在其中測試疾病和治療方法。

儘管CRISPR加速了生成此類疾病模型的過程，但這一過程仍然可能需要數月或數年。效率低下的原因是許多經過處理的細胞根本沒有發生所需的DNA序列變化，而且這種變化只發生在兩個基因拷貝中的一個（對於大多數基因，每個細胞包含兩個版本，一個來自父親，一個來自母親）。

為了提高基因編輯過程的效率，Feng實驗室團隊最初假設，在CRISPR基因編輯工具的標準混合物中加入一種名為RAD51的DNA修復蛋白，這將增加一個細胞（在這種情況下是受精小鼠卵，或單細胞胚胎）發生所需基因變化的機會。

作為一個測試案例，他們測量了他們能夠插入（”敲入”）與自閉症有關的基因Chd2的突變的速度。被正確編輯的胚胎的總體比例保持不變，但令他們驚訝的是，在兩條染色體上攜帶所需基因編輯的比例明顯更高。用一個不同的基因進行的測試也產生了同樣的意外結果。

“同時編輯兩條染色體通常是非常不常見的，”博士後Jonathan Wilde解釋說。Wilde說：”用RAD51看到的高編輯率確實令人震驚，而且開始時只是簡單地嘗試製造突變體Chd2小鼠，很快就變成了一個更大的項目，專注於RAD51及其在基因組編輯中的應用。”他與研究科學家Tomomi Aida共同撰寫了《細胞》的論文。

分子復制機

馮實驗室團隊接下來著手了解RAD51增強基因編輯的機制。他們假設RAD51參與了一個叫做同源體間修復（IHR）的過程，即一條染色體上的DNA斷裂以該染色體的第二個拷貝（來自另一個親本）為模板進行修復。

為了測試這一點，他們給小鼠胚胎注射了RAD51和CRISPR，但不包括模板DNA。他們對CRISPR進行編程，只切割其中一條染色體上的基因序列，然後測試它是否被修復以匹配未切割染色體上的序列。在這個實驗中，他們不得不使用母體和父體染色體上的序列不同的小鼠。

他們發現，單獨注射CRISPR的對照組胚胎很少出現IHR修復。然而，加入RAD51後，CRISPR靶向基因被編輯成與未切割的染色體相匹配的胚胎數量明顯增加。

“以前對IHR的研究發現，它在大多數細胞中的效率低得驚人，”Wilde說。”我們發現它在胚胎細胞中更容易發生，並且可以被RAD51增強，這表明更深入地了解是什麼使胚胎允許這種類型的DNA修復，可以幫助我們設計更安全和更有效的基因療法。”

糾正致病突變的新方法

標準的基因治療策略依賴於注入一個糾正性的DNA片段，作為修復突變的模板，採用一種叫做同源定向修復（HDR）的過程。”基於HDR的策略仍然存在效率低下的問題，並且存在供體DNA在整個體內不需要的整合風險。