新“基因魔剪”按需敲入長DNA序列

據最新一期《自然·生物技術》發表的一項研究，在CRISPR基因編輯系統的基礎上，美國麻省理工學院研究人員設計了一種新工具，可以更安全、更高效的方式剪除有缺陷的基因並用新基因替換它們。

使用這個系統，研究人員可將長達36000個DNA鹼基對的基因傳遞給幾種類型的人類細胞，以及小鼠的肝細胞。這種被稱為PASTE（通過位點特異性靶向元素進行可編程添加）的新技術有望治療由具有大量突變的缺陷基因引起的疾病，例如囊性纖維化。

新工具結合了CRISPR-Cas9的精確定位，CRISPR-Cas9是一組最初源自細菌防禦系統的分子，與整合酶結合在一起，病毒使用這種酶將自己的遺傳物質插入細菌基因組。這些整合酶來自細菌和感染它們的病毒之間的持續鬥爭，它説明瞭人們如何能夠不斷從這些自然系統中找到大量實用新工具。

此次開發的新工具，可切除有缺陷的基因並用新基因替換它，而不會引起任何雙鏈DNA斷裂。研究人員專注于絲氨酸整合酶，它可插入大塊DNA，大至50000個鹼基對。這些酶以稱為附著位點的特定基因組序列為目標，這些序列起到“著陸點”的作用。當在宿主基因組中找到正確的著陸點時，它們就會與之結合。

研究團隊意識到，將這些酶與插入正確著陸位點的CRISPR-Cas9系統相結合，可輕鬆地對強大的插入系統進行重新編程。一旦結合了著陸點，整合酶就會出現並將其更長的DNA有效載荷插入到該位點的基因組中。研究人員表示，這朝著實現可編程插入DNA夢想邁出了一大步。

研究人員使用PASTE將基因插入多種類型的人類細胞，包括肝細胞、T細胞和淋巴母細胞（未成熟的白細胞）。他們使用13種不同的有效載荷基因（包括一些可能具有治療作用的基因）測試了遞送系統。

在這些細胞中，研究人員能夠以5%到60%的成功率插入基因。研究還證明，可將基因插入小鼠的“人源化”肝臟中。這些小鼠的肝臟由大約70%的人類肝細胞組成，PASTE成功地將新基因整合到大約2.5%的這些細胞中。

團隊表示，該技術還可用於治療由缺陷基因引起的血液疾病，例如血友病和亨廷頓氏病。