Nature揭秘没有“切割”的编辑：先导编辑如何实现逆转录，从RNA合成DNA

由东京大学的shuutaro Shuto, Ryoya Nakagawa和Osamu Nureki领导的联合研究确定了一种名为“prime editor”的新型基因编辑工具的各种过程的空间结构。基于这些结构的功能分析也揭示了“先导编辑器”如何实现逆转录，从RNA合成DNA，而不“切割”双螺旋的两条链。阐明这些分子机制有助于设计出足够精确的基因编辑工具，用于基因治疗。研究结果发表在《自然》杂志上。

　　

由东京大学的Ryoya Nakagawa和Osamu Nureki等人领导的联合研究确定了一种名为“prime editor”的新型基因编辑工具的各种过程的空间结构。基于这些结构的功能分析也揭示了“先导编辑器”如何实现逆转录，从RNA合成DNA，而不“切割”双螺旋的两条链。阐明这些分子机制有助于设计出足够精确的基因编辑工具，用于基因治疗。

这一研究结果发表在《自然》杂志上。

2020年诺贝尔化学奖授予Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier，以表彰他们开发了一种开创性的、简单的方法来编辑DNA——生物体的“蓝图”。虽然他们的发现为研究开辟了新的途径，但这种方法的准确性和对“切割”两条DNA链的安全担忧限制了它在基因治疗中的应用。因此，开发没有这些缺点的工具的研究正在进行中。

先导编辑系统就是这样一种工具，它是一种由两种成分组成的分子复合物。其中一个组件是主要编辑器，它结合了SpCas9蛋白(用于第一个CRISPR-Cas基因编辑技术)和逆转录酶(一种将RNA转录成DNA的酶)。第二个组成部分是初始编辑指导RNA (pegRNA)，这是一种经过修饰的指导RNA，可以识别DNA中的目标序列并编码所需的编辑。在这个综合体中，先导编辑器就像一个“文字处理机”，准确地替换基因组信息。该工具已经在植物、斑马鱼、小鼠等生物体的活细胞中成功应用。然而，这种分子复合物是如何执行编辑过程的每一步的，目前还不清楚，主要是由于缺乏关于其空间结构的信息。

“我们对蛋白质Cas9和逆转录酶的非自然组合如何协同工作感到好奇，”该论文的第一作者Yutaro Shuto说。

研究小组使用了低温电子显微镜，这是一种成像技术，可以在近原子尺度上进行观察。该方法要求样品放在玻璃状的冰中，以保护它们免受电子束的潜在损害，这带来了一些额外的挑战。

“我们发现，在实验条件下，先导编辑器复合物是不稳定的，因此，优化复合材料保持稳定的条件是非常具有挑战性的。很长一段时间，我们只能确定Cas9的结构。”

最终，研究人员克服了这些挑战，成功地确定了目标DNA逆转录过程中多种状态下的引物编辑器复合体的三维结构。这些结构表明，逆转录酶与RNA-DNA复合物结合，该复合物沿着Cas9蛋白的“部分”形成，与DNA切割相关，双螺旋的单链分裂。在进行逆转录时，逆转录酶保持了相对于Cas9蛋白的位置。结构和生化分析也表明，逆转录酶可能导致额外的，不希望的插入。

这些发现为基础研究和应用研究开辟了新的途径。因此，Shuto列出了接下来的步骤。

“我们在这项研究中的结构确定策略也可以应用于由不同的Cas9蛋白和逆转录酶组成的引物编辑器。我们希望利用新获得的结构信息来开发改进的先导编辑器。”