刘如谦团队优化先导编辑器，大幅提高对囊性纤维化最常见突变的修复效率

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

2019年10月21日，基因编辑技术先驱刘如谦教授在Nature期刊发表论文【1】，开发了一种新型精准基因编辑工具——先导编辑（Prime Editing，PE），无需依赖DNA模板就能在基因组中实现各种各样的替换、插入和删除，且能够抵抗旁观者编辑（bystander editing）和脱靶编辑（off-target editing）。此外，与Cas9等核酸酶介导的基因编辑相比，先导编辑不会产生DNA双链断裂，因此能够最小化不受控的插入和缺失突变（indel）、大片段缺失、p53激活、逆转录转座子插入以及染色体缺陷等不良结果。

囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）是一种由CFTR基因突变导致的常染色体隐性遗传疾病，全世界有超过16万人受其影响。目前已鉴定出超过2000种CFTR基因突变，其中超过700种突变会导致囊性纤维化，但85%的患者存在同一种突变——CFTR F508del，即CFTR基因中三个碱基对CTT缺失，导致CFTR蛋白中第508位的苯丙氨酸缺失。

现有的小分子疗法（lumacaftor / ivacaftor）对囊性纤维化有效，但每天服药、终生治疗，每年用药成本高达30万美元。如果能开发出一种精确修正CFTR F508del突变的基因编辑策略，就能够为囊性纤维化中最常见的致病基因突变提供一种持久的、一次性治疗方法。而先导编辑显然非常适合修正这种类型的基因突变。

2024年7月10日，Broad研究所刘如谦教授团队在 Nature 子刊Nature Biomedical Engineering上发表了题为：Systematic optimization of prime editing for the efficient functional correction of CFTR F508del in human airway epithelial cells 的研究论文【2】。

该研究使用优化的先导编辑器，将囊性纤维化患者来源的原代气道上皮细胞中的CFTR F508del突变的修复效率提高至58%，且显著降低了脱靶编辑。该研究支持了使用先导编辑对囊性纤维化进行持久、一次性治疗的可行性。

在这项新研究中，刘如谦团队描述了一种先导编辑（PE）方法，用于修正囊性纤维化患者的原代气道上皮细胞中的CFTR F508del突变，并恢复CFTR依赖性阴离子通道活性。

刘如谦团队一开始使用了他们自己最初开发的PE2和PE3系统来修正CFTR F508del突变，但编辑效率极低（不足0.5%），这表明使用先导编辑修正该突变具有挑战性。

接下里，研究团队通过系统应用先导编辑技术的六项最新优化策略（工程化PE向导RNA、PEmax结构、瞬时表达显性错配修复蛋白、策略性沉默编辑、PE6变体、近端失活单向导RNA），在永生化的人支气管上皮细胞模型中实现了高达58％的CFTR F508del修正效率，在囊性纤维化患者的原代气道上皮细胞中达到了25％的修正效率。

这些优化还带来了最低程度的脱靶编辑，编辑与插入和缺失突变（indel）的比率比核酸酶介导的同源定向修的比率高出3.5倍，并且在囊性纤维化患者的原代气道细胞中使CFTR离子通道的功能恢复到正常水平的50% （与使用elexacaftor、tezacaftor和ivacaftor联合治疗所达到的水平相当） 。

该研究是对最常见的导致囊性纤维化的 CFTR 基因突变类型 （CFTR F508del） 进行直接治疗性纠正的概念验证，支持了对囊性纤维化进行持久、一次性治疗的可行性，并为在难编辑治疗靶点上设计先导编辑策略提供了路线图。

论文链接：

1. https://www.nature.com/articles/s41586-019-1711-4

2. https://www.nature.com/articles/s41551-024-01233-3