新“基因魔剪”按需敲入长DNA序列

据最新一期《自然·生物技术》发表的一项研究，在CRISPR基因编辑系统的基础上，美国麻省理工学院研究人员设计了一种新工具，可以更安全、更高效的方式剪除有缺陷的基因并用新基因替换它们。

使用这个系统，研究人员可将长达36000个DNA碱基对的基因传递给几种类型的人类细胞，以及小鼠的肝细胞。这种被称为PASTE（通过位点特异性靶向元素进行可编程添加）的新技术有望治疗由具有大量突变的缺陷基因引起的疾病，例如囊性纤维化。

新工具结合了CRISPR-Cas9的精确定位，CRISPR-Cas9是一组最初源自细菌防御系统的分子，与整合酶结合在一起，病毒使用这种酶将自己的遗传物质插入细菌基因组。这些整合酶来自细菌和感染它们的病毒之间的持续斗争，它说明了人们如何能够不断从这些自然系统中找到大量实用新工具。

此次开发的新工具，可切除有缺陷的基因并用新基因替换它，而不会引起任何双链DNA断裂。研究人员专注于丝氨酸整合酶，它可插入大块DNA，大至50000个碱基对。这些酶以称为附着位点的特定基因组序列为目标，这些序列起到“着陆点”的作用。当在宿主基因组中找到正确的着陆点时，它们就会与之结合。

研究团队意识到，将这些酶与插入正确着陆位点的CRISPR-Cas9系统相结合，可轻松地对强大的插入系统进行重新编程。一旦结合了着陆点，整合酶就会出现并将其更长的DNA有效载荷插入到该位点的基因组中。研究人员表示，这朝着实现可编程插入DNA梦想迈出了一大步。

研究人员使用PASTE将基因插入多种类型的人类细胞，包括肝细胞、T细胞和淋巴母细胞（未成熟的白细胞）。他们使用13种不同的有效载荷基因（包括一些可能具有治疗作用的基因）测试了递送系统。

在这些细胞中，研究人员能够以5%到60%的成功率插入基因。研究还证明，可将基因插入小鼠的“人源化”肝脏中。这些小鼠的肝脏由大约70%的人类肝细胞组成，PASTE成功地将新基因整合到大约2.5%的这些细胞中。

团队表示，该技术还可用于治疗由缺陷基因引起的血液疾病，例如血友病和亨廷顿氏病。