新的基因编辑器 Evocast 可精确插入完整基因

新的基因编辑器 Evocast 可精确插入完整基因

如果问科学家推进基因治疗最需要什么基因编辑工具，他们很可能会描述一个几乎在哥伦比亚大学瓦格洛斯内外科医学院塞缪尔·斯特恩伯格和麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的大卫·刘的实验室中实现的系统。

Gene Editor 称 Evocast GoT 在解决自该领域早期以来一直困扰基因疗法发展的问题方面具有重要意义：如何在人类基因组中添加定义的位置而不产生不需要的修饰。

该编辑器的最新版本使用了细菌中发现的复杂酶，可以通过编程将整个基因或多个基因插入人类基因组中的特定位置，其效率适合基因治疗。 5 月 15 日发表的一篇论文描述了出版商的详细信息科学。

对先进基因编辑器的需求

CRISPR-Cas、病毒和其他编辑系统使得目前为患者开发的数十种基因药物成为可能，但目前的所有方法都有缺点。有些方法很精确，但只做了很小的修正。病毒是基因治疗中最常用的方法，可以插入整个基因，但在激活免疫反应时是随机的。

像 Evokast 这样的工具可以使基因治疗更加可靠和有效，特别是对于囊性纤维化和血友病等疾病，这些疾病是由数千种不同突变之一引起的。

例如，CFTR 基因中成百上千种不同的突变可能会导致囊性纤维化，因此需要过量的不同基因编辑药物才能确保每位患者都能得到治疗。相反，像 Evokast 这样的药物可以实现单基因疗法，将完整且健康的基因插入患者的基因组中。

还有更多的工作要做，但 Evocast 代表了这些系统开发的一个里程碑，无论潜在的遗传缺陷如何，都可以永久安装完整、健康的基因。 “

塞缪尔·斯特恩伯格，哥伦比亚大学瓦格洛斯内科和外科医生学院

新系统还可以在其他医疗和研究应用中实现更简单、更准确的基因编辑，包括生产用于癌症治疗的 CAR T 细胞疗法，以及生物医学研究所需的转基因细胞系和模型生物。

新编辑器由“跳跃基因”开发而成

Evocast 基于 Sternberg 实验室几年前在细菌中发现的一个自然系统，该系统允许基因跳转到细菌基因组中的新位置。 （跳跃基因——也称为转座子——可以通过产生遗传多样性使物种受益）。

该实验室认识到 Casts（CRISPR 相关转座酶）的几个特征使其作为潜在的基因编辑系统具有吸引力。其优点之一是能够插入大片段 DNA，而不会在此过程中破坏染色体，否则可能会导致严重的意外错误。另一个是系统的“可编程性”，它可以将插入引导到研究人员确定的基因组中的任何位置。

事实证明，将细菌系统用于人体细胞是很困难的。斯滕伯格的研究生乔治·兰佩成功开发了可在人体细胞中工作的系统，但该技术的早期版本效率较低。

斯滕伯格预料到了这一困难。 “铸造系统的存在是为了帮助移动基因跨越基因组周围的进化时间尺度。它们不会受到选择性压力来有效地发挥作用。

人工进化改善基因编辑

斯滕伯格和兰佩没有猜测哪些改变可能会改善他们的系统，而是求助于哈佛大学和布罗德研究所的分子生物学家和有机化学家大卫·刘(David Liu)，他开发了一种加速蛋白质发育的实验室技术。 Lamp 将系统的性能提升到了一定程度，使 Tempo 成为一个可行的选择，刘实验室的两名研究生 Isaac Witte 和 Simon Eitzinger 将系统转移到了 Tempo，从而可以在最少的干预下进行数百轮的进化。

“涡轮发动机和酶的进化超出了研究人员通常通过有针对性的、合理设计的修改所能做到的程度，”兰佩说。 “通过 Tempo 获得的突变显着提高了整个铸造系统的性能。”

经过数百代的进化，新的 Evokast 系统可以编辑 30% 至 40% 的细胞，比原始系统的较低编辑率有了巨大的提高。

下一步

Evokast 系统已经达到了适合某些基因编辑和基因治疗应用的效率，研究人员希望开始在更相关的模型系统中测试他们的系统。

同时，团队不断引入改进，包括对其他 Evokast 组件的更改，以进一步提高编辑效率。

然而，Evokast 和其他大型 DNA 编辑工具在开发过程中面临的最大挑战之一是交付。

“我们如何真正将这些工具及其有效负载转移到感兴趣的细胞或组织中？”斯滕伯格说。 “这是我们许多人在球场上面临的挑战。”

更多信息

该研究发表在 5 月 15 日发表在《科学》杂志上的“使用实验室靶向 CRISPR 相关转座酶在人类细胞中进行可编程基因插入”中。

所有作者：Isaac P. Witte（博德研究所和哈佛大学）、George D. Lampe（哥伦比亚）、Simon Eitzinger（博德研究所和哈佛大学）、Shannon M. Miller（博德研究所和哈佛大学）、Kiara N. Berríos（博德研究所和哈佛大学）、Amber N. McElroy（明尼苏达大学）、Rebeca T. King（哥伦比亚）、Olivia G. Stringham（博德研究所和哈佛大学）、Diego R. Gelsinger（哥伦比亚）、Phuc Leo H. Vo（哥伦比亚）、Albert T. Chen（布罗德研究所和哈佛大学）、Jakub Tolar（明尼苏达大学）、Mark J. Osborn（明尼苏达大学）、Samuel H. Sternberg（哥伦比亚）和 David R. Liu（布罗德研究所和哈佛大学）。

Samuel H. Sternberg 博士是哥伦比亚大学生物化学和分子生物物理学副教授。 David R. Liu 博士是理查德·默金 (Richard Merkin) 教授、默金健康变革技术研究所所长、麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所 (Broad Institute) 的教务副主席，以及哈佛大学托马斯·达德利·卡伯特 (Thomas Dudley Cabot) 科学教授。两人都是霍华德休斯医学研究所的研究人员。

该研究得到了 NIH（拨款 1F31HL167530、R01AR063070、DP2HG011650、R01EB027793、R01EB031172、R01EB027793、RM1HG009490 和 R35GM118062）、美国国家科学基金会研究生研究奖学金、皮尤研究中心的支持生物医学科学奖学金、斯隆研究奖学金、Irma T. Hirschl 职业科学家奖、哥伦比亚大学欧文医学中心院长办公室、Vagelos Precision Medicine 和 HHMI 的试点资助。

作者已提交与这项工作相关的专利申请。 David Liu 是 Beam Therapeutics、Prime Medicine、Paired Plants、Chroma Medicine、Resonance Medicine、Exo-Therapeutics 和 NOV Therapeutics 的联合创始人、顾问和/或股东。 Samuel Sternberg 是 Dahlia Biosciences 的联合创始人兼科学顾问、Crispits 和 Prime Medicine 的科学顾问以及 Dahlia Biosciences 和 Crisprbits 的股东。

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