Nature：最精准的先导编辑器来了

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

2019 年，刘如谦教授团队开发出了“先导编辑器”（Prime Editor，PE），这是一种基于 CRISPR 系统的新一代基因编辑工具，相比 CRISPR-Cas9 更精准，脱靶效应更少。最近，先导编辑技术已走向临床，成功治疗了一名患有罕见遗传病——慢性肉芽肿病（CGD）的患者。

理论上，先导编辑器能够编辑修复 75000 种已知致病性人类遗传突变的 89%。其优点在于，无需在基因组上造成 DNA 双链断裂（DSB），而是利用改造过的 Cas9 切口酶，只切开 DNA 双链中的一条，从而在基因组上打开一个切口，插入或者替换新的 DNA 链。

然而，新的 DNA 链必须与旧的 DNA 链竞争以被整合到基因组，如果旧链胜过新链，那么新链上多余的 DNA 部分就可能会意外地被整合到其他位置，从而导致错误，这种错误大多是相对无害的，但也可能会导致肿瘤发生等严重问题。最新版本的先导编辑器，大约每编辑 7 次到 121 次，就会出现一次错误。

2025 年 9 月 17 日，麻省理工学院 Robert Langer 团队在 Nature 期刊发表了题为：Engineered prime editors with minimal genomic errors 的研究论文。

该研究通过对先导编辑器中的 Cas9 蛋白的修饰，开发了一种下一代先导编辑器——vPE，大幅降低了其在基因组编辑中出现错误的概率，从而让先导编辑更加安全可控。此外，vPE 并未让递送系统复杂化，也没有增加额外步骤，就实现了更精确的编辑，减少不必要的编辑错误。

先导编辑器（Prime Editor，PE）是一种先进的 CRISPR 基因编辑工具，由刘如谦教授团队于 2019 年开发。先导编辑器由一个逆转录酶（RT）和Cas9 切口酶（Cas9n）融合蛋白以及一条编码基因组靶序列和预期编辑内容的 pegRNA 组成。

其编辑过程始于先导编辑器与基因组靶点结合并形成单链 DNA 切口，被切开的 3' DNA 被释放出来，与 pegRNA 模板配对，为逆转录酶启动将模板序列写入 3' DNA 的延伸部分提供引物。由此产生的经编辑的 3' 新链可以取代竞争的 5' 链，从而实现预期的编辑。此过程可适用于多种编辑类型，包括 DNA 的替换、插入和删除。

为提高先导编辑效率，研究人员已付出了大量努力，包括抑制细胞错配修复（MMR）、稳定 pegRNA 以及改造逆转录酶结构域。这些进展促成了高效且用途广泛的先导编辑系统。

一个关键的尚未解决的挑战在于，如何消除作为先导编辑副产品的错误。这些错误是在一小部分目标细胞中，因预期编辑未达成而产生的插入/缺失突变（indel），从而导致了不可预测且可能有害的 DNA 序列。

之前的研究已经确定了 indel 错误形成的主要驱动因素，首先，先导编辑器可能会将编辑后的 3' 新链延伸到 pegRNA 模板之外，并进入支架。这可以通过重新编码 pegRNA 支架来解决，以限制其与基因组序列的同源性。其次，有时由于错配修复将 DNA 单链切口转化为 DNA 双链断裂（DSB），这可能会产生错误的双链断裂，从而诱导与双链断裂修复一致的 indel，这些 indel 可以通过抑制或避免错配修复来解决。第三，由先导编辑器生成的经编辑的 3' 新链可能会在非预期位置发生末端连接，这常常会导致大片段的缺失或类似串联重复的插入，目前还没有应对这些错误的策略。

在先导编辑过程中，由于编辑后的 3′ 新链与互补链存在错配，其在置换竞争性 5′ 链时处于不利地位。研究团队推断这种对编辑后 3′ 新链退火的偏向性会限制编辑效率，并增加错误率。已知经切割的 DNA 底物中，3′ 末端可从结合的 Cas9 复合物中脱离，而 5′ 末端则保持稳定结合状态。研究团队推测，若使 5′ 末端定位失稳，可能促使其发生降解。

该团队在之前的研究中发现，Cas9-DNA 界面上的突变可松弛切口定位，这促使他们探索先导编辑器形成的竞争性 5′ 链是否能够被有效失稳。

该研究通过考察可诱导切口末端降解的 Cas9 切口定位松弛突变，对先导编辑器进行工程化改造。结果意外发现，切口松弛对 indel 错误的产生具有显著影响。利用这一机制，研究团队进一步通过理性设计，开发出了高效且几乎不产生 indel 错误的先导编辑器。

将这种抑制错误的策略与最新的提高效率的架构相结合，研究团队设计出了下一代先导编辑器——vPE。与之前的先导编辑器相比，vPE 的编辑效率效率，但 indel 错误率降为原来的 1/60，编辑 543 次才会出现一次 indel 错误。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09537-3