基因編輯迎來新突破，可插入2.5kb基因片段？逆轉(zhuǎn)座子工具初現(xiàn)曙光

作者：徐斯佳

基因治療是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的前沿技術(shù)，通過修復(fù)或替換有缺陷的基因來治療疾病。

“靶向基因整合”是基因治療的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目的是將健康基因準(zhǔn)確插入基因組并使其長期穩(wěn)定工作，其中，就要用到基因?qū)懭爰夹g(shù)。

與傳統(tǒng)的先切斷再重組的基因編輯相比，基因?qū)懭爰夹g(shù)直接將新的基因片段添加到基因組,具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。然而，現(xiàn)有的以DNA為媒介的寫入技術(shù)在準(zhǔn)確性、安全性和效率方面存在局限。

最近，中國科學(xué)院動物研究所的李偉和周琪團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)新研究，提供了一個解決方案。他們在國際范圍內(nèi)，首次實(shí)現(xiàn)了以RNA為媒介的基因精準(zhǔn)寫入，有望為遺傳病和腫瘤患者提供更安全高效的治療方法。相關(guān)成果發(fā)表在2024年7月8日的《細(xì)胞》(Cell)雜志上。

他們是怎么做到的呢？為什么以RNA為媒介，可以實(shí)現(xiàn)更安全、精準(zhǔn)的基因?qū)懭肽兀?/p>

當(dāng)前的基因編輯技術(shù)主要使用改造后的病毒作為載體，將DNA片段送入細(xì)胞并整合到基因組中。這些載體通常不會引發(fā)疾病，但它們保留的病毒結(jié)構(gòu)仍然可能引起免疫系統(tǒng)的攻擊，導(dǎo)致炎癥或治療失敗。此外，這種整合過程具有一定的隨機(jī)性，可能插入非預(yù)期的位點(diǎn)，破壞正常基因的功能，導(dǎo)致不可預(yù)測的副作用。

因此，科學(xué)家們開始探索更安全準(zhǔn)確的整合技術(shù)。他們關(guān)注到了一類存在于基因組中的特殊序列——轉(zhuǎn)座子。轉(zhuǎn)座子能通過特定機(jī)制在基因組中移動，早期被稱為“跳躍基因”，是生物基因組進(jìn)化的動力之一。

轉(zhuǎn)座子有兩種類型：DNA轉(zhuǎn)座子和逆轉(zhuǎn)座子，當(dāng)然了，它們都是DNA片段。其中，DNA轉(zhuǎn)座子通過“剪切-粘貼”機(jī)制，從基因組的一個位置直接移動到另一個位置。逆轉(zhuǎn)座子則需要借助RNA。

RNA是用DNA攜帶的遺傳信息指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的中間分子。以DNA為模板合成RNA (mRNA)的過程叫“轉(zhuǎn)錄”；而反過來，以RNA為模板合成DNA就叫“逆轉(zhuǎn)錄”。逆轉(zhuǎn)座子通過逆轉(zhuǎn)錄，借助其對應(yīng)的RNA合成自己的拷貝，再插入基因組的特定位置。科學(xué)家們想用這一機(jī)制，整合額外的供體RNA片段。

供體RNA是人工合成或從外部添加到細(xì)胞中的RNA片段。它攜帶用于治療的基因信息，通過逆轉(zhuǎn)錄成DNA，可以和轉(zhuǎn)座子一并插入基因組中。

由于RNA是單鏈分子，體積更小，供體RNA可以裝入脂質(zhì)納米顆粒中并被細(xì)胞膜高效吸收，無需病毒載體。這種基因遞送方式不容易引起免疫反應(yīng)，安全性更高。

這項(xiàng)研究中關(guān)注的R2是一類天然存在于生物基因組中的逆轉(zhuǎn)座子。它轉(zhuǎn)錄出的RNA能識別并綁定于基因組中的特定位置。在人類基因組中，R2的移動位點(diǎn)通常遠(yuǎn)離與癌癥相關(guān)的重要基因，因此相對安全。R2逆轉(zhuǎn)座子還能編碼一種酶，這種酶會在目標(biāo)位置的DNA上切開一個口子，引導(dǎo)RNA逆轉(zhuǎn)錄成新的DNA，并將其整合到切口上，從而完成逆轉(zhuǎn)座子的復(fù)制和插入。

R2逆轉(zhuǎn)座子的安全性和對位點(diǎn)的高度特異性使其在基因整合方面具有巨大潛力。然而，之前的研究很少系統(tǒng)性討論R2在哺乳動物細(xì)胞中的活性；而且目前基因?qū)懭爰夹g(shù)主要集中在短片段，R2能否有效整合長段的功能性基因還有待證實(shí)。這方面，中國科學(xué)家取得了突破。

研究人員分析了R2逆轉(zhuǎn)座子在自然界的多樣性，發(fā)現(xiàn)為了維護(hù)基因組的穩(wěn)定性，哺乳動物細(xì)胞中的天然轉(zhuǎn)座子在進(jìn)化過程中被抑制，其活性不足以用于基因治療。而非哺乳動物（例如鳥類）中存在的R2卻有潛力用于開發(fā)新的基因整合工具。但R2離開原本的宿主，在不同物種或不同類型的細(xì)胞環(huán)境里幾乎沒有插入基因的能力。所以，如果要利用非哺乳動物的R2用于人類的基因治療，就得設(shè)法增加它們在哺乳動物細(xì)胞中的活性。

研究人員選擇了來自斑胸草雀的R2系統(tǒng)作為改進(jìn)起點(diǎn)，通過修改R2的特定序列，并調(diào)整其編碼的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，成功提升了R2在人體細(xì)胞（人類胚腎細(xì)胞）中的基因整合效率。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化了供體RNA的結(jié)構(gòu)，協(xié)同增強(qiáng)了基因整合的效率。

優(yōu)化后的R2工具在人體細(xì)胞中具有高度特異性，還能整合較長的基因片段。當(dāng)填充序列長度約2.5 kb時，仍能保持較高的基因整合率。為了觀察這套工具的長期效果，研究人員將一個可以編碼綠色熒光蛋白的基因整合到人體細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)整合效率超過20%，且效果持續(xù)了一個多月。

雖然這套工具目前只能用于插入新的基因片段，還不能對已有基因進(jìn)行精確的修改，但它在基因整合技術(shù)方面提供了一種新思路。未來的研究值得期待——人們將繼續(xù)優(yōu)化這項(xiàng)技術(shù)，探索其在更復(fù)雜基因編輯中的應(yīng)用潛力，為基因治療開辟新的途徑。

參考文獻(xiàn)：
Chen, Y., Luo, S., Hu, Y., Mao, B., Wang, X., Lu, Z., ... & Li, W. (2024). All-RNA-mediated targeted gene integration in mammalian cells with rationally engineered R2 retrotransposons. Cell. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.06.020

作者：徐斯佳

審核：梁前進(jìn) 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 教授