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哥伦比亚大学和布罗德研究所研究人员开发的新型基因编辑器，可能很快为更广泛疾病的基因治疗打开大门。
如果询问科学家基因治疗最需要什么编辑工具，他们会说出很多种需求，而这可能在哥伦比亚大学Samuel Sternberg实验室和哈佛-麻省理工布罗德研究所David Liu实验室最近研发的一种系统中得到满足。
这款名为evoCAST的基因编辑器，在很大程度上解决了自基因治疗领域诞生以来一直困扰研究人员的难题：如何在人类基因组特定位置添加长段DNA序列而不产生意外修饰。
最新版本编辑器利用细菌中发现的复杂酶系统，可被编程以适合基因治疗的效率将完整基因（或多个基因）插入人类基因组特定位置。该编辑器的详细信息发表在5月15日《科学》杂志的论文中。
对先进基因编辑器的需求
CRISPR-Cas系统、病毒载体等现有编辑手段虽已推动数十种遗传药物进入临床开发，但均存在局限性。部分方法精度高但只能进行微小修正；最常用的病毒载体虽能插入完整基因，却存在随机整合和引发免疫反应的问题。
evoCAST这类工具可使基因治疗更可靠高效，尤其适用于囊性纤维化、血友病等由数千种不同突变引起的疾病。"例如囊性纤维化可由CFTR基因数百至数千种不同突变引发，"Sternberg解释，"与其开发海量针对性药物，evoCAST能通过插入完整健康基因实现通用治疗。虽然还需完善，但这标志着永久性安装完整健康基因系统开发的里程碑。"
该系统还能简化癌症CAR-T细胞疗法生产、生物医学研究所需的转基因细胞系构建等应用流程。
基于"跳跃基因"的新编辑器
evoCAST源自Sternberg实验室数年前在细菌中发现的天然系统，该系统允许基因在细菌基因组中"跳跃"（这种被称为转座子的移动基因可通过增加遗传多样性使物种受益）。
研究团队认识到CRISPR相关转座酶（CASTs）的多个特性使其成为理想编辑工具：既能插入大片段DNA又不会造成染色体断裂（后者可能导致严重错误），还能通过编程实现在基因组任意指定位置的精准插入。
将细菌系统改造用于人类细胞充满挑战。Sternberg的博士生George Lampe虽成功实现系统在人类细胞中的运作，但早期版本效率低下。"CAST系统是为进化时间尺度的基因跳跃服务的，"Sternberg指出，"不像CRISPR-Cas9因抵抗病毒感染进化出了高效机制，我们需要人工提升其活性。"
人工进化提升编辑效率
研究团队转而求助布罗德研究所分子生物学家David Liu开发的PACE实验室技术，该技术能加速蛋白质进化。在Lampe将系统性能提升至适用水平后，Liu实验室的Isaac Witte和Simon Eitzinger通过PACE进行了数百轮无人值守的进化实验。
"PACE如同进化涡轮增压器，由此获得的突变使整个CAST系统性能大幅提升。"经过数百代进化，新版evoCAST编辑效率达到30%-40%，较原始系统有质的飞跃。
未来方向
evoCAST当前效率已满足部分基因治疗应用需求，研究团队正着手在更相关模型系统中测试。同时他们持续改进其他组件以进一步提升效率。
但现阶段最大挑战与所有大片段DNA编辑工具相同——递送问题。"如何将这些工具及其有效载荷递送至目标细胞或组织？"Sternberg坦言，"这是整个领域面临的共同挑战。"
Programmable gene insertion in human cells with a laboratory-evolved CRISPR-associated transposase
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