經過多年的基因編輯系統工程研究，研究人員已經開發出一套能夠修改活細胞基因組的工具，類似於”基因組手術”。這些工具包括基於一種名為CRISPR/Cas9 的天然系統的工具，為解決未滿足的臨床需求提供了巨大的潛力，最近美國食品及藥物管理局批准了第一種基於CRISPR/Cas9 的療法就是最好的證明。

雖然基於CRISPR技術的基因編輯特異性強、準確度高、用途廣泛，但實現這些編輯的效率卻很低。在這篇論文中，亞當森實驗室描述了一種更有效率的引導編輯器。圖片來源：Caitlin Sedwick for Princeton University

一種相對較新的方法被稱為”引導編輯”，它能以極高的精確度和多功能性進行基因編輯，但卻有一個關鍵的代價：編輯裝置的效率不穩定，而且往往很低。換句話說，雖然”引導編輯”可以實現高精度編輯，而且很少產生不必要的副產品，但這種方法往往無法以合理的頻率進行編輯。

在2024 年4 月18 日刊登在《自然》雜誌上的一篇論文中，普林斯頓大學的科學家嚴俊和布里特-亞當森以及幾位同事描述了一種更有效率的引導編輯器。

作者（左起）：分子生物學助理教授、劉易斯-西格勒綜合基因組研究所（Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics）布里特妮-亞當森（Brittany Adamson）；亞當森實驗室研究生、第一作者嚴俊（Jun Yan）。圖片來源：普林斯頓大學Denise Applewhite 拍攝的布里特-亞當森照片。嚴俊的照片由作者提供。

引導編輯系統最低限度由兩部分組成：CRISPR/Cas9 蛋白元件的改良版和稱為pegRNA 的核糖核酸（RNA）分子。這些成分透過幾個協調步驟共同發揮作用：首先，pegRNA 與蛋白質結合，引導產生的複合物到達基因組中的理想位置。在那裡，蛋白質切開DNA，利用pegRNA 上編碼的模板序列，將編輯內容”反向轉錄”到附近的基因組。這樣，引導編輯器就能將準確的序列”寫入”目標DNA 中。

亞當森說：”引導編輯是一種非常強大的基因組編輯工具，因為它能讓我們更準確地控制基因組序列是如何改變的。”

研究開始，亞當森和亞當森研究小組及分子生物學系的研究生嚴推斷，未知的細胞過程可能會幫助或阻礙素材編輯。為了確定這些過程，Yan 制定了一個概念簡單的計劃：首先，他將設計一個細胞系，當安裝了某些引導編輯時，該細胞係就會發出綠色螢光。然後，他將系統性地阻斷這些細胞中正常表達的蛋白質的表達，並測量編輯誘導的螢光，以確定這些蛋白質中哪些會影響引導編輯。透過執行這項計劃，研究小組確定了36種細胞決定引導編輯的因素，其中只有一種–小RNA結合蛋白La能促進編輯。

Yan說：”雖然促進素材編輯顯然不是La蛋白的正常功能，但我們的實驗表明，它能有力地促進這一過程。”

眾所周知，在細胞內，La能結合新生小RNA分子末端的特定序列，保護這些RNA不被降解。普林斯頓大學團隊立即意識到，Yan 首次實驗中使用的pegRNA 很可能包含這些序列，即所謂的聚尿苷束，因為它們是細胞中pegRNA 表達的典型副產品，但往往被忽視。隨後的實驗表明，這些pegRNA 無意中利用了La 的末端結合活性來保護和促進引導編輯。

在研究結果的激勵下，研究團隊希望了解將La 中與聚尿苷束結合的部分與標準的質粒編輯蛋白融合能否提高質粒編輯效率。他們欣喜地發現，這種被稱為PE7 的蛋白質在各種條件下都能大幅提高預期的素材編輯效率，而且在使用某些素材編輯系統時，不需要的副產物出現的頻率非常低。他們的研究結果很快就引起了對在原代人類細胞中使用素材編輯感興趣的同行們的注意，其中包括波士頓兒童醫院和哈佛醫學院的丹尼爾-鮑爾（Daniel Bauer）以及加州大學舊金山分校的亞歷山大-馬森（Alexander Marson）。研究團隊與這些實驗室的科學家一起，繼續證明了PE7 還能提高治療相關細胞類型的原生編輯效率，為未來的臨床應用提供了更廣闊的前景。

鮑爾指出：「這項工作是一個很好的例子，說明深入探究細胞的內部運作可以獲得意想不到的見解，從而在短期內產生生物醫學影響。”

編譯來源：ScitechDaily