揭秘沒有“切割”的編輯：先導編輯如何實現逆轉錄，從RNA合成DNA

由東京大學的Ryoya Nakagawa和Osamu Nureki等人領導的聯合研究確定了一種名為“prime editor”的新型基因編輯工具的各種過程的空間結構。基于這些結構的功能分析也揭示了“先導編輯器”如何實現逆轉錄，從RNA合成DNA，而不“切割”雙螺旋的兩條鏈。闡明這些分子機制有助于設計出足夠精確的基因編輯工具，用于基因治療。

這一研究結果發表在《自然》雜志上。

2020年諾貝爾化學獎授予Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier，以表彰他們開發了一種開創性的、簡單的方法來編輯DNA——生物體的“藍圖”。雖然他們的發現為研究開辟了新的途徑，但這種方法的準確性和對“切割”兩條DNA鏈的安全擔憂限制了它在基因治療中的應用。因此，開發沒有這些缺點的工具的研究正在進行中。

先導編輯系統就是這樣一種工具，它是一種由兩種成分組成的分子復合物。其中一個組件是主要編輯器，它結合了SpCas9蛋白(用于**個CRISPR-Cas基因編輯技術)和逆轉錄酶(一種將RNA轉錄成DNA的酶)。第二個組成部分是初始編輯指導RNA (pegRNA)，這是一種經過修飾的指導RNA，可以識別DNA中的目標序列并編碼所需的編輯。在這個綜合體中，先導編輯器就像一個“文字處理機”，準確地替換基因組信息。該工具已經在植物、斑馬魚、小鼠等生物體的活細胞中成功應用。然而，這種分子復合物是如何執行編輯過程的每一步的，目前還不清楚，主要是由于缺乏關于其空間結構的信息。

“我們對蛋白質Cas9和逆轉錄酶的非自然組合如何協同工作感到好奇，”該論文的**作者Yutaro Shuto說。

研究小組使用了低溫電子顯微鏡，這是一種成像技術，可以在近原子尺度上進行觀察。該方法要求樣品放在玻璃狀的冰中，以保護它們免受電子束的潛在損害，這帶來了一些額外的挑戰。

“我們發現，在實驗條件下，先導編輯器復合物是不穩定的，因此，優化復合材料保持穩定的條件是非常具有挑戰性的。很長一段時間，我們只能確定Cas9的結構。”

最終，研究人員克服了這些挑戰，成功地確定了目標DNA逆轉錄過程中多種狀態下的引物編輯器復合體的三維結構。這些結構表明，逆轉錄酶與RNA-DNA復合物結合，該復合物沿著Cas9蛋白的“部分”形成，與DNA切割相關，雙螺旋的單鏈分裂。在進行逆轉錄時，逆轉錄酶保持了相對于Cas9蛋白的位置。結構和生化分析也表明，逆轉錄酶可能導致額外的，不希望的插入。

這些發現為基礎研究和應用研究開辟了新的途徑。因此，Shuto列出了接下來的步驟。

“我們在這項研究中的結構確定策略也可以應用于由不同的Cas9蛋白和逆轉錄酶組成的引物編輯器。我們希望利用新獲得的結構信息來開發改進的先導編輯器。”

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