基因是生物遺傳信息的基本單位，它們攜帶了構建和維持生物體所需的所有指令。當基因的特定區域產生突變或缺陷時，則可能導致各種遺傳疾病，如囊性纖維化、鐮狀細胞貧血等。傳統的基因治療通常依賴於病毒載體將正常的基因導入細胞，但這種方法存在諸多局限性，比如潛在的致癌風險、以及基因表達的不可控性。
近些年來，crispr/cas9技術的誕生和應用徹底改變了基因編輯的格局。作為一種基於細菌免疫系統的基因編輯工具，它能夠通過嚮導rna識別特定的dna序列，並利用cas9蛋白進行切割或修飾。科學家只需更換嚮導rna序列即可靶向不同基因，這使得科學家能夠以前所未有的精準度“剪切”dna。
目前，crispr-cas9技術可以高效地切斷dna雙鏈，並通過細胞自身的修復機制引入小片段修改。但在插入大片段dna，比如完整的基因方面仍然面臨諸多挑戰。然而，這種完整基因的替換對一些疾病是更好的選擇。以囊性纖維化為例，cftr基因中成百上千種不同的突變都可能導致囊性纖維化，因此需要大量不同的基因編輯療法才能確保每位患者都能得到治療。如果能有一種方式能將完整的健康基因插入基因組中，那麼所有囊性纖維化患者都將能從這一療法中受益。
就在最新的《科學》雜誌上，來自哈佛大學的劉如謙（david liu）教授和哥倫比亞大學的samuel h. sternberg教授合作帶來了一種全新基因編輯技術evocast。該技術可以通過編程將整個基因插入人類基因組中的特定位置，實現完整、健康基因的長期表達。此外，新技術的編輯方式簡單，其編輯效率適用於基因治療，有望實現臨床治療產品的研發。
evocast技術中的cast代表着crispr相關轉座酶，這同樣是細菌中天然存在的一類系統。轉座酶可以幫助實現基因的“跳躍”，實現一種特殊的基因插入過程。cast不僅能夠插入大片段dna，而且在此過程中還不會破壞染色體，相對來說更加安全。同時，cast系統也具有可編程性，可以將插入片段定嚮導入到目標區域。
然而，野生型cast系統在人類細胞中的效率極低，通常不超過0.1%。為了更好地利用cast系統，研究團隊選取了一種加速蛋白質進化的工具——噬菌體輔助連續進化（pace）來快速獲得所需的轉座酶。
pace是一種模擬自然選擇過程的技術，它通過噬菌體的快速繁殖和突變，篩選出具有特定功能的蛋白質變體。在cast的進化實驗中，科學家們設計了一個巧妙的系統，將噬菌體繁殖與cast的dna插入效率聯繫起來。只有當cast能夠高效地將dna插入到指定位置時，噬菌體才能成功繁殖。通過數百代的連續選擇和進化，科學家們最終培育出了一個進化版的cast系統，也就是evocast。
▲研究示意圖（圖片來源：原始論文[1]）
相較於野生型cast，evocast系統在人類細胞中的表現有了質的飛躍。它在14個不同的基因組目標位點上實現了10%到30%的dna插入效率，平均比野生型cast提高了420倍。在測試中，evocast可以支持大片段的dna插入，並且插入產物單向比例高，幾乎沒有插入缺失副產物。
▲evocast抓住一條dna（紅色）（圖片來源：george lampe ，columbia university irving medical center）
研究團隊嘗試藉助evocast系統將凝血因子ix（f9）cdna插入白蛋白（alb）基因的內含子，並檢測到了功能性蛋白表達。這對於血友病的治療有着潛在的應用價值。
目前，研究團隊正嘗試在更多模型系統中測試evocast系統的編輯作用，同時他們也在繼續對evocast的組件進行更新，繼續提升編輯效率。隨着未來的技術優化，crispr/cast技術有望成為基因編輯技術中的重要成員，推動基因療法的進一步革新。
參考資料：
[1] witte, i. p. et al. programmable gene insertion in human cells with a laboratory-evolved crispr-associated transposase. science 388, 722–730 (2025).
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