一种新的基因编辑工具可能很快为更广泛的疾病基因治疗打开大门。
问科学家什么基因编辑工具是推进基因治疗最需要的，他们可能会描述一个现在在哥伦比亚大学凯瑟尔医学院的塞缪尔·斯特恩伯格和麻省理工学院与哈佛大学的布罗德研究所的戴维·刘实验室接近实现的系统。
这种基因编辑器——称为evoCAST——在解决一个困扰基因治疗发展的问题上迈出了重要一步：如何将长片段的DNA添加到人类基因组的特定位置，而不产生不必要的修改。
编辑器的最新版本利用了细菌中发现的复杂酶，可以被编程为将整个基因或多个基因插入人类基因组中的特定位置，其效率适合于基因治疗。编辑器的细节在5月15日发表在Science上的一篇论文中进行了描述。
对高级基因编辑器的需求
CRISPR-Cas、病毒和其他编辑系统使得现在正在为患者开发的数十种基因药物成为可能，但所有当前的方法都有缺陷。一些方法虽然精确，但只能进行小幅度的修正。病毒是基因治疗中使用频率最高的方法，可以插入完整的基因，但这样做是随机的，并会激活免疫反应。
像evoCAST这样的工具可以使基因治疗更加可靠和高效，特别是对于因成千上万种不同突变中的任何一种而引起的囊性纤维化和血友病等疾病。
“例如，CFTR基因中数百到数千种不同的突变可以引起囊性纤维化，因此需要大量不同的基因编辑药物以确保每位患者都能接受治疗，”斯特恩伯格说。“相反，像evoCAST这样的工具可以使一次基因治疗能够将一个完整且健康的基因插入患者的基因组。”
“还有很多工作要做，但evoCAST代表了这些系统发展的一个里程碑，可以永久安装一个完整、健康的基因，而不论潜在的遗传缺陷。”
该新系统还可以在其他医疗和研究应用中实现更简单和更准确的基因编辑，包括为癌症治疗生产CAR T细胞疗法，以及生物医学研究所需的转基因细胞系和模型生物。
基于“跳跃基因”开发的新编辑器
evoCAST是基于斯特恩伯格实验室几年前在细菌中发现的自然系统，该系统允许基因跳入细菌基因组的新位置。（跳跃基因，亦称为转座子，能够通过产生遗传多样性使一个物种受益。）
该实验室认识到CAST（CRISPR相关转座酶）的几个特性使它们成为潜在基因编辑系统的吸引者。一个优点是能够在不破坏染色体的情况下插入大片段的DNA，这在此过程中可能导致严重的、意外的错误。另一个是系统的“可编程性”，它可以将插入指向研究人员指定基因组中的任何位置。
将细菌系统调整用于人类细胞证明困难。斯特恩伯格的研究生乔治·兰普成功地使该系统在人体细胞中工作，但早期版本的技术效率较低。
斯特恩伯格预料到了这种困难。“CAST系统的存在是为了帮助移动基因在进化时间尺度上在基因组中跳跃。它们并不在选择压力下高效运作，因此我们推测，与进化出非常强大和高效的CRISPR-Cas9系统相比，我们更需要挤出更多的活动。”
人工进化改善基因编辑
斯特恩伯格和兰普没有猜测哪些变化能改善他们的系统，而是转向了汉堡大学和布罗德研究所的分子生物学家和有机化学家戴维·刘，刘建立了一种实验室技术PACE，可以加速蛋白质的进化。兰普推动了系统性能，使PACE成为一个可行的选择，而刘实验室的研究生艾萨克·维特和西蒙·艾茨金格则将系统转移到PACE，这使得可以以最小干预进行数百轮的进化。
“PACE加速了进化，并改善了酶的性能，超出了研究人员通常通过目标明确的、合理设计的改造可以实现的水平，”兰普说。“通过PACE获得的突变显著提高了整个CAST系统的性能。”
经过数百代的进化，新evoCAST系统能够编辑30%到40%的细胞，这与原始系统较低的编辑率相比，增加了很多。
下一步
evoCAST系统已经达到了适合一些基因编辑和基因治疗应用的效率，研究人员希望开始在更相关的模型系统中测试他们的系统。
同时，团队仍在继续改进，包括对其他evoCAST组件的修改，以进一步提高编辑效率。
但是目前evoCAST和其他正在开发的大型DNA编辑工具面临的最大挑战之一是交付。
“我们如何将这些工具及其载荷实际送入感兴趣的细胞或组织中？”斯特恩伯格说。“这是我们许多领域专家都面临的挑战。”
