CRISPR 基因編輯技術再優化!麻省理工新開發 PASTE 有望治大量基因突變疾病

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可編程的基因體對於基因治療與研究皆十分重要,而目前常用的植入 DNA 序列的方法為利用CRISPR-Cas91,2,3 對雙鏈斷裂(double-strand break, DSB)的細胞反應來誘導其修復。

美國麻省理工學院(MIT)的研究團隊於 CRISPR 系統的基礎上,設計了一種全新的基因編輯工具「PASTE」(Programmable Addition via Site-specific Targeting Elements),可更安全、有效地「剪掉」有缺陷的基因並加以替換,有望治療具大量基因突變缺陷所引起的疾病,如囊腫纖維化(cystic fibrosis, CF)。此創新研究結果於日前刊登於 Nature Biotechnology 期刊中。

現有的 CRISPR 基因編輯技術

CRISPR-Cas9 基因編輯系統由 DNA 切割酶 Cas9 與一條短鏈 RNA 所組成,透過後者引領切割酶至基因特定區域進行切割,而細胞 DNA 在修復過程會將切口接合,進而導致一小部分的基因體被刪除。不過若有特別導入 DNA 模板,可讓細胞在修復過程中將正確的基因體整合其中。

然而此過程會需要細胞的 DNA 進行雙鏈斷裂,可能將使染色體產生有害缺失或重排。另外,CRIPSR-Cas9 也受限於只能用於分裂中的細胞,因未分裂者並無 DNA 修復過程。有鑑於此,MIT 研究團隊想另開發全新的技術,使其在替換基因時不會引起任何 DNA 雙鏈斷裂的情形。

新基因編輯工具 PASTE

研究團隊根據新工具的特性「透過標靶特異性進行編程添加」(Programmable Addition via Site-specific Targeting Elements)將其命名為 PASTE,其包含兩種技術,一為改造過的 Cas9 切割酶,可用於辨識特定 DNA 序列,並僅針對其中一股 DNA 進行切割,再透過一段 RNA 引導的反轉錄酶(reverse transcriptase)於特定位置進行基因編輯,逕行替換特定序列。另一技術則為整合酶,研究團隊將可植入長鏈 DNA(至多 50,000 個鹼基對)的絲胺酸整合酶(serine integrases)植入噬菌體(bacteriophages)病毒中,再讓其與名為「著位點」(landing pads)的特定基因體序列結合,使整合酶能於宿主基因體中準確的整合其攜帶的 DNA 序列。

目前研究團隊已透過 PASTE 可將基因插入多種類型的人體細胞,包含肝細胞、T 細胞、、淋巴原細胞(lymphoblasts),其成功率為 5-60%;並也因未產生雙鏈鍛鍊情形,而將「插入缺失」(indels)的情形發生率降至最低。

此外,團隊已成功利用此工具插入長達 3.6 萬個鹼基對的 DNA 序列,並相信序列長度還能再更突破,若能針對大型基因體進行整合將對基礎科學與生技研究有巨大價值。現階段研究團隊正鑽研著如何進一步將此工具應用於大量基因缺陷所引起之疾病,如囊腫纖維化的治療,望能帶給此神經性疾病患者新希望。

延伸閱讀:具開發潛力的基因編輯技術!美康乃爾研究揭 CRISPR 新機轉!

參考資料:
1. https://news.mit.edu/2022/crispr-gene-editing-dna-1124
2. https://www.nature.com/articles/s41587-022-01527-4

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