近日，《自然》杂志在线刊发了布罗德研究所教授刘如谦（David Liu）等研发的基因编辑新技术：先导编辑（prime editing）。

布罗德研究所由美国哈佛大学和麻省理工学院共同成立，刘如谦等人在文章中宣布，利用这种新技术，课题组已经实现对镰状细胞病和戴萨克斯症遗传因素的修正，未来，89%的人类已知致病基因变异或可被纠正。

“如果先导编辑的效率足够高，且后续验证工作未发现脱靶现象，特别是无法预测的脱靶，那么先导编辑很有可能取代原有技术，尤其是碱基编辑技术”。中国农业大学生物学院教授陈其军在接受采访时表示。

鹊巢鸠占，骗过细胞

接受采访时，多名研究人员都用“巧妙”一词形容先导编辑技术。

先导编辑产生的前提是分子剪刀——CRISPR-Cas9系统，让基因编辑在活细胞中的操作更便捷有效。

但让基因编辑“指哪打哪”并非易事。分子剪刀在DNA链条上剪开缺口后，DNA会自行修复，基因编辑也在此时进行，但修复过程中很可能出现不可控结果。

比如DNA双链被剪开后，需要引入新的DNA模板让其“照葫芦画瓢”，而最终很可能因“画得不像”而被修复机制识破，导致基因编辑失败。

先导编辑巧妙之处在于将CRISPR-Cas9和逆转录酶整合到一起，仅对DNA双链的其一进行切割，让分子剪刀更稳更精准。

接着，在先导物帮助下，逆转录酶以一条RNA为模板，逆转录出新的DNA。这条新DNA直接连接于分子剪刀的切口处，和原有序列展开竞争。

在优化后的先导编辑中，新DNA有较高概率撬动原有序列，通过细胞自带的碱基修复机制连接到基因组上。而原有序列则成了多余，被修复机制去除。至此，基因编辑功能实现，“鹊巢鸠占”的故事告一段落。

令人称绝的是，刘如谦等人在研究中用到的逆转录酶和RNA模板等引导手段已有先例，但将这些整合在一起的思路实属首创。“这的确是一个巧妙的设计，也相对简单。”北京大学生命科学学院研究员魏文胜表示。

先导之美

与以往技术比，先导编辑能实现的功能更多。在布罗德研究所发布的新闻稿中，刘如谦表示，先导编辑这一技术的美丽之处，就在于其“对编辑序列的限制非常少”。他还表示，“分子生命科学的主要愿景就是希望能在全基因组范围内，精确地进行改变，好的编辑手段让人们更接近这一目标。”

在论文中，刘如谦等人列出了在不需要DNA模板的前提下，在人肾上皮细胞系（HEK293T）、人肉骨瘤细胞系（U2OS）、人慢性髓系白血病细胞系（K562）和海拉细胞系（HeLa）中的编辑结果。

其中，在HEK293T中，经过优化的先导编辑系统最高效率可达78%。

“理论上，先导编辑在技术层面的脱靶效应不会太大。”陈其军表示。与只能实现4种单碱基置换的碱基编辑技术相比，先导编辑可实现12种碱基置换，涵盖单碱基置换的所有可能。且最多可插入44个碱基对、删除80个碱基对。“如果先导编辑的效率达到一定高度，碱基编辑几乎可以肯定会被淘汰，尤其是在植物中”。陈其军说。

优化再优化

尽管先导编辑的出现让分子剪刀的精准度提升到新高度，但有观点认为：这项技术若想真正应用于临床，还须更精确。

依照现有公开实验数据，先导编辑与同源重组相比，对U2OS细胞和HeLa细胞等进行编辑的结果并不具有绝对优势。此外，先导编辑可控片段的长度也有优化空间。

无论是碱基编辑还是先导编辑，分子剪刀都需要引入不同的酶，而在细胞内过表达这些酶存在风险。

“从原理上讲，这一方法可以避免一些脱靶问题，但还需要进一步评估。”魏文胜说。“新技术的问世不意味着对旧技术的完全否定，新技术带有各种各样的特点，这些特点好坏与否，有待后续完成的工作来验证。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1711-4

编辑：金婉霞
责任编辑：樊丽萍

来源：中国科学报

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