单一编辑系统或成遗传疾病治疗的新希望

由基因编辑先驱大卫·刘领导的布罗德研究所的研究团队开发了一种新的基因组编辑策略，这可能实现对多种无关遗传疾病的一次性治疗。

基因编辑药物通常是针对特定突变逐个制造的，这种方法难以扩展，无法解决影响全球患者的数千种罕见疾病。新技术称为PERT（基于主要编辑的提前终止密码子读取），旨在通过使用一个编辑剂来最大化基因编辑的潜力，以服务尽可能多的患者。

刘说：“我们对开发一种单一编辑剂成为一种药物的可能性感到兴奋，这种药物可能帮助许多不同类型的患者，避免了为每个患者开发新基因药物所需的多年时间和数百万美元的投入。”他是核心研究所成员，理查德·梅尔金教授，布罗德医疗保健转型技术梅尔金研究所的主任，哈佛大学教授，以及霍华德·休斯医学研究所的研究员。

PERT使用主要编辑——一种由刘实验室在2019年开发的多功能和精确的DNA编辑系统——来拯救一种突变，这种突变可能是导致大约三分之一罕见疾病的原因。这些“无意义突变”可以出现在许多不同的基因中，并导致细胞过早停止合成其相关蛋白质，从而产生截断的、功能失常的分子，导致疾病。在ClinVar数据库中记录的200,000种致病突变中，24%是无意义突变。

PERT方法并不直接编辑这些无意义突变——这种策略需要为每种突变开发不同的编辑剂——而是进行另一种编辑，让细胞能够生产正常、功能性蛋白质，无论是哪个基因受到影响。

在一篇发表在 《自然》 的论文中，研究团队描述了他们如何在巴滕病、泰-萨克斯病和尼曼-匹克病C1型的人类细胞模型以及亨特综合症的小鼠模型中测试PERT。这项技术恢复了蛋白质的生产并缓解了疾病症状，没有发现脱靶编辑、正常RNA或蛋白质生产的变化，也没有对细胞造成毒性。

这项工作由共同第一作者的Sarah Pierce和Steven Erwood主导，他们都是刘实验室的博士后研究员。

一个创造性的解决方案

刘和他的实验室多年来一直在开发新的DNA编辑工具来应对遗传疾病。然而，在看到这些技术到达患者的过程是多么具有挑战性和资源密集后，刘开始思考简化这一过程的机会。

“在某些情况下，遗传医学中的瓶颈不再是科学，”他说。“而是满足监管要求、与这些治疗相关的制造成本，以及治疗极少数患者的药物面临的商业挑战。”

“目睹基因编辑公司做出痛苦的决定，选择追求哪些目标——就像选择哪些患者被遗弃一样痛苦——使我们清楚地认识到，我们需要创造性的科学解决方案来帮助解决这些问题。”

研究小组通过识别许多不同遗传疾病的共同病因找到了一个潜在的解决方案。通常，当细胞需要制造蛋白质时，它首先将DNA转录为mRNA。其他称为tRNA的分子随后读取mRNA序列，并将相应的氨基酸构建块聚集成一个链，最终形成蛋白质。mRNA中的一个特殊三字母序列——UAA、UAG或UGA——标志着蛋白质组装指令的结束。这个信号被称为终止密码子。

但大约30%的遗传疾病是由DNA突变引起的，这些突变在mRNA序列的中间某处创建了一个错误的终止密码子，导致细胞过早停止蛋白质合成。刘的团队试图开发一种通用的方法，永久性地使细胞克服这些早期终止密码子，从而使蛋白质合成能够正常进行。

皮尔斯说：“我们的希望是，这种解决方案有望提供一次性基因编辑治疗，惠及因无义突变而导致不同疾病的患者。”

安装新的tRNA

研究人员创造性地应用原位编辑技术来解决这个问题。他们首先转向“抑制”tRNA。这种类型的tRNA在响应早期终止密码子时添加一个氨基酸构建块，使细胞能够继续构建蛋白质，而不是在中途停止蛋白质合成。

通过测试数万个tRNA变体，皮尔斯、厄伍德及其同事们设计了一种新的高效抑制tRNA。他们随后优化了一种原位编辑系统，将这种tRNA直接导入细胞的基因组中，替换掉现有的多余tRNA。

“使这一切成为可能的很大一部分，简单来说就是利用了精准编辑的多功能性，”埃尔伍德说。“它让我们能够以我们以前无法做到的方式对tRNA进行非常复杂的更改。我们测试了数千种不同的精准编辑，直到一个tRNA设计最终脱颖而出。”

最终的精准编辑器永久性地为细胞提供了新的抑制tRNA，使它们能够产生完整的蛋白质，无论哪个特定基因携带无义突变。

研究人员使用精准编辑在巴滕病、泰-萨克斯病和尼曼-匹克病C1型的人类细胞模型中安装了这种新的抑制tRNA。在这些不同的细胞模型中使用相同的精准编辑系统，他们观察到酶活性恢复到正常水平的约20%到70%，这个水平理论上足以减轻疾病症状。

团队还在哈勒综合征的小鼠模型中测试了他们的策略，这是一种溶酶体储存障碍。当科学家分析小鼠大脑、肝脏和脾脏的组织时——这些组织通常会受到该疾病的影响——他们确定PERT恢复了约6%的正常酶活性，足以几乎消除所有疾病迹象。

研究人员发现，PERT没有产生脱靶编辑，也没有影响其他蛋白质的正常合成。团队推测，PERT对正常蛋白质合成的影响很小，因为哺乳动物细胞有几种额外的方式来支持适当的蛋白质合成，并且因为PERT在细胞中仅导致低水平的工程抑制tRNA。

该团队目前正在进一步优化PERT技术，并在多种动物模型中测试该技术，以应对不同的遗传疾病。

刘教授表示：“我们希望这项研究最终能为PERT的临床试验铺平道路，并激励其他适用于多种疾病的基因编辑策略。”

“如果不需要一次只针对一个突变，那么可以用单一药物治疗的患者群体规模将会变得更大。我们希望最终能让更多患者受益，同时也能激励更多人开发针对罕见疾病的基因编辑药物。”

更多信息： Sarah E. Pierce 等，用于疾病无关的基因组编辑的主编辑抑制tRNA，自然 (2025)。 DOI: 10.1038/s41586-025-09732-2