Science：刘如谦团队进化出新型基因编辑器 —— 可将整个基因精准高效整合到人类细胞

基因是生命的 “源代码”，但这些代码可能因突变而出现错误，导致囊性纤维化、血友病等遗传性疾病。传统基因治疗依赖病毒载体，但随机整合风险和免疫反应如同隐藏的 “地雷”。

CRISPR-Cas9 虽然能精准切割 DNA，却在插入大片段基因时力不从心，就像一个只能修改单个字符的 “文字编辑器”，面对需要整段替换的复杂任务时显得捉襟见肘。

2025 年 5 月 15 日，《科学》杂志发表了哈佛大学刘如谦（David Liu）团队与哥伦比亚大学 Samuel Sternberg 团队的合作成果 ——evoCAST（进化版 CRISPR 相关转座酶系统）。这项技术通过实验室进化彻底革新了基因插入能力，使完整基因的精准嵌入成为可能，为基因治疗带来了革命性突破。

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从细菌到人类细胞的跨越

evoCAST 的根本灵感源自细菌中的天然系统 ——CRISPR 相关转座酶（CAST）。这类系统结合了 CRISPR 的靶向能力和转座酶的 “搬运” 功能，能够在不切断 DNA 双链的情况下，将大片段基因精准插入特定位置。这一特性使其避免了传统 CRISPR 技术可能引发的染色体断裂和随机插入风险，堪称基因编辑领域的 “无痕手术”。

然而，天然 CAST 系统在人类细胞中的效率极低，通常不足 0.1%。这是因为在细菌中，过度活跃的转座酶可能破坏基因组稳定性，因此进化压力限制了其活性。为了将这一 “璞玉” 雕琢成实用工具，研究团队必须突破自然界的限制。

刘如谦团队开发的噬菌体辅助连续进化（PACE）技术成为了关键钥匙。

PACE 通过模拟自然选择，将蛋白质进化速度提升至传统方法的数千倍。具体而言，研究人员将 CAST 系统的转座酶基因与噬菌体的生存必需基因（如 gIII）关联，只有当转座酶高效工作时，噬菌体才能繁殖。通过数百代的连续筛选，最终获得了活性提高近百倍的转座酶变体。

噬菌体在高速复制中积累突变，而只有那些携带更高效转座酶的噬菌体能在持续稀释的环境中存活。经过 PACE 的淬炼，evoCAST 的整合效率较原始系统提升了420 倍，在 14 个测试位点实现了 10%-30% 的插入效率，且几乎不产生插入缺失副产物。

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三大核心优势

高效精准：从 “大海捞针” 到 “百步穿杨”

传统方法中，大片段基因插入如同在茫茫基因组中随机撒网，而 evoCAST 凭借 RNA 引导的可编程性，能够将基因精准定位到目标位点。例如，在测试中，evoCAST 成功将凝血因子 IX（F9）基因插入白蛋白（ALB）基因的内含子，并实现了功能性蛋白表达，为血友病治疗提供了新方案。

更令人惊叹的是，evoCAST 的整合精度达到单碱基对水平，且脱靶率极低。这意味着科学家可以在不破坏基因组稳定性的前提下，实现 “指哪打哪” 的基因编辑。

安全无痕：避免双链断裂的颠覆性设计

传统 CRISPR-Cas9 通过制造 DNA 双链断裂（DSBs）实现编辑，但这一过程可能引发染色体易位或非同源末端连接错误。evoCAST 则绕过了这一风险，其转座酶直接将基因插入目标位点，无需切割 DNA。这种 “非破坏性” 操作不仅降低了编辑副产物的风险，还为治疗脆性 X 综合征等对基因组损伤敏感的疾病提供了可能。

大片段兼容性：从小修小补到系统升级

evoCAST 支持超过10kb的超大片段 DNA 插入，这一特性使其能够整合完整的基因及其调控元件。例如，针对囊性纤维化，CFTR 基因的 2000 多种突变均可通过插入完整健康基因得到治疗，而无需针对每个突变设计特定疗法。这种 “通用疗法” 的潜力，将大幅降低基因治疗的开发成本和时间。

写在文末

从前两年的 CRISPR-Cas9 到如今的 evoCAST，基因编辑技术正以惊人的速度突破极限。evoCAST 的进化不仅是蛋白质工程的胜利，更是人类对生命本质探索的里程碑。随着技术的不断优化，我们有理由相信，基因治疗的 “黄金时代” 已不再遥远。未来，evoCAST 或许能让更多患者摆脱遗传疾病的阴影，真正实现 “改写生命代码，重写健康未来” 的愿景。

* 文章内容仅供参考，不构成任何建议

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