《科学》：刘如谦团队带来基因编辑新突破！实现完整大片段DNA插入

基因是生物遗传信息的基本单位，它们携带了构建和维持生物体所需的所有指令。当基因的特定区域产生突变或缺陷时，则可能导致各种遗传疾病，如囊性纤维化、镰状细胞贫血等。传统的基因治疗通常依赖于病毒载体将正常的基因导入细胞，但这种方法存在诸多局限性，比如潜在的致癌风险、以及基因表达的不可控性。

近些年来，crispr/cas9技术的诞生和应用彻底改变了基因编辑的格局。作为一种基于细菌免疫系统的基因编辑工具，它能够通过向导rna识别特定的dna序列，并利用cas9蛋白进行切割或修饰。科学家只需更换向导rna序列即可靶向不同基因，这使得科学家能够以前所未有的精准度“剪切”dna。

目前，crispr-cas9技术可以高效地切断dna双链，并通过细胞自身的修复机制引入小片段修改。但在插入大片段dna，比如完整的基因方面仍然面临诸多挑战。然而，这种完整基因的替换对一些疾病是更好的选择。以囊性纤维化为例，cftr基因中成百上千种不同的突变都可能导致囊性纤维化，因此需要大量不同的基因编辑疗法才能确保每位患者都能得到治疗。如果能有一种方式能将完整的健康基因插入基因组中，那么所有囊性纤维化患者都将能从这一疗法中受益。

就在最新的《科学》杂志上，来自哈佛大学的刘如谦（david liu）教授和哥伦比亚大学的samuel h. sternberg教授合作带来了一种全新基因编辑技术evocast。该技术可以通过编程将整个基因插入人类基因组中的特定位置，实现完整、健康基因的长期表达。此外，新技术的编辑方式简单，其编辑效率适用于基因治疗，有望实现临床治疗产品的研发。

evocast技术中的cast代表着crispr相关转座酶，这同样是细菌中天然存在的一类系统。转座酶可以帮助实现基因的“跳跃”，实现一种特殊的基因插入过程。cast不仅能够插入大片段dna，而且在此过程中还不会破坏染色体，相对来说更加安全。同时，cast系统也具有可编程性，可以将插入片段定向导入到目标区域。

然而，野生型cast系统在人类细胞中的效率极低，通常不超过0.1%。为了更好地利用cast系统，研究团队选取了一种加速蛋白质进化的工具——噬菌体辅助连续进化（pace）来快速获得所需的转座酶。

pace是一种模拟自然选择过程的技术，它通过噬菌体的快速繁殖和突变，筛选出具有特定功能的蛋白质变体。在cast的进化实验中，科学家们设计了一个巧妙的系统，将噬菌体繁殖与cast的dna插入效率联系起来。只有当cast能够高效地将dna插入到指定位置时，噬菌体才能成功繁殖。通过数百代的连续选择和进化，科学家们最终培育出了一个进化版的cast系统，也就是evocast。

▲研究示意图（图片来源：原始论文[1]）

相较于野生型cast，evocast系统在人类细胞中的表现有了质的飞跃。它在14个不同的基因组目标位点上实现了10%到30%的dna插入效率，平均比野生型cast提高了420倍。在测试中，evocast可以支持大片段的dna插入，并且插入产物单向比例高，几乎没有插入缺失副产物。

▲evocast抓住一条dna（红色）（图片来源：george lampe ，columbia university irving medical center）

研究团队尝试借助evocast系统将凝血因子ix（f9）cdna插入白蛋白（alb）基因的内含子，并检测到了功能性蛋白表达。这对于血友病的治疗有着潜在的应用价值。

目前，研究团队正尝试在更多模型系统中测试evocast系统的编辑作用，同时他们也在继续对evocast的组件进行更新，继续提升编辑效率。随着未来的技术优化，crispr/cast技术有望成为基因编辑技术中的重要成员，推动基因疗法的进一步革新。

参考资料：

[1] witte, i. p. et al. programmable gene insertion in human cells with a laboratory-evolved crispr-associated transposase. science 388, 722–730 (2025).