经过多年的基因编辑系统工程研究，研究人员已经开发出一套能够修改活细胞基因组的工具，类似于"基因组手术"。这些工具包括基于一种名为 CRISPR/Cas9 的天然系统的工具，为解决未得到满足的临床需求提供了巨大的潜力，最近美国食品及药物管理局批准了第一种基于 CRISPR/Cas9 的疗法就是最好的证明。
虽然基于CRISPR技术的基因编辑特异性强、准确性高、用途广泛，但实现这些编辑的效率却很低。在这篇论文中，亚当森实验室描述了一种更高效的引导编辑器。图片来源：Caitlin Sedwick for Princeton University
一种相对较新的方法被称为"引导编辑"，它能以极高的精确度和多功能性进行基因编辑，但却有一个关键的代价：编辑装置的效率不稳定，而且往往很低。换句话说，虽然"引导编辑"可以实现高精度编辑，而且很少产生不必要的副产品，但这种方法往往无法以合理的频率进行编辑。
在2024 年 4 月 18 日刊登在《自然》杂志上的一篇论文中，普林斯顿大学的科学家严俊和布里特-亚当森以及几位同事描述了一种更高效的引导编辑器。
作者（左起）：分子生物学助理教授、刘易斯-西格勒综合基因组研究所（Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics）布里特妮-亚当森（Brittany Adamson）；亚当森实验室研究生、第一作者严俊（Jun Yan）。图片来源：普林斯顿大学 Denise Applewhite 拍摄的布里特-亚当森照片。严俊的照片由作者提供。
引导编辑系统最低限度由两部分组成：CRISPR/Cas9 蛋白元件的改进版和称为pegRNA 的核糖核酸（RNA）分子。这些成分通过几个协调步骤共同发挥作用：首先，pegRNA 与蛋白质结合，引导产生的复合物到达基因组中的理想位置。在那里，蛋白质切开DNA，利用 pegRNA 上编码的模板序列，将编辑内容"反向转录"到附近的基因组中。这样，引导编辑器就能将准确的序列"写入"目标 DNA 中。
亚当森说："引导编辑是一种非常强大的基因组编辑工具，因为它能让我们更准确地控制基因组序列是如何改变的。"
研究伊始，亚当森和亚当森研究小组及分子生物学系的研究生严推断，未知的细胞过程可能会帮助或阻碍素材编辑。为了确定这些过程，Yan 制定了一个概念简单的计划：首先，他将设计一种细胞系，当安装了某些引导编辑时，该细胞系就会发出绿色荧光。然后，他将系统性地阻断这些细胞中正常表达的蛋白质的表达，并测量编辑诱导的荧光，以确定这些蛋白质中哪些会影响引导编辑。通过执行这一计划，研究小组确定了36种细胞决定引导编辑的因素，其中只有一种--小RNA结合蛋白La能促进编辑。
Yan说："虽然促进素材编辑显然不是La蛋白的正常功能，但我们的实验表明，它能有力地促进这一过程。"
众所周知，在细胞内，La能结合新生小RNA分子末端的特定序列，保护这些RNA不被降解。普林斯顿大学团队立即意识到，Yan 首次实验中使用的 pegRNA 很可能包含这些序列，即所谓的聚尿苷束，因为它们是细胞中 pegRNA 表达的典型副产品，但往往被忽视。随后的实验表明，这些 pegRNA 无意中利用了 La 的末端结合活性来保护和促进引导编辑。
在研究结果的激励下，研究小组希望了解将 La 中与聚尿苷束结合的部分与标准的质粒编辑蛋白融合能否提高质粒编辑效率。他们欣喜地发现，这种被称为 PE7 的蛋白质在各种条件下都能大幅提高预期的素材编辑效率，而且在使用某些素材编辑系统时，不需要的副产物出现的频率非常低。他们的研究结果很快引起了对在原代人类细胞中使用素材编辑感兴趣的同行们的注意，其中包括波士顿儿童医院和哈佛医学院的丹尼尔-鲍尔（Daniel Bauer）以及加州大学旧金山分校的亚历山大-马森（Alexander Marson）。研究小组与这些实验室的科学家一起，继续证明了 PE7 还能提高治疗相关细胞类型的原生编辑效率，为未来的临床应用提供了更广阔的前景。
鲍尔指出："这项工作是一个很好的例子，说明深入探究细胞的内部运作可以获得意想不到的见解，从而在短期内产生生物医学影响。"
编译来源：ScitechDaily