Nature：最精准的先导编辑器来了

来源：生物世界 2025-09-25 10:02

2019 年，刘如谦教授团队开发出了“先导编辑器”（Prime Editor，PE），这是一种基于 CRISPR 系统的新一代基因编辑工具，相比 CRISPR-Cas9 更精准

2019 年，刘如谦教授团队开发出了 先导编辑器 （Prime Editor，PE），这是一种基于 CRISPR 系统的新一代基因编辑工具，相比 CRISPR-Cas9 更，脱靶效应更少。最近，先导编辑技术已走向临床，成功治疗了一名患有罕见遗传病 慢性肉芽肿病（CGD）的患者。

理论上，先导编辑器能够编辑修复 75000 种已知致病性人类遗传突变的 89%。其优点在于，无需在基因组上造成 DNA 双链断裂（DSB），而是利用改造过的 Cas9 切口酶，只切开 DNA 双链中的一条，从而在基因组上打开一个切口，插入或者替换新的 DNA 链。

然而，新的 DNA 链必须与旧的 DNA 链竞争以被整合到基因组，如果旧链胜过新链，那么新链上多余的 DNA 部分就可能会意外地被整合到其他位置，从而导致错误，这种错误大多是相对无害的，但也可能会导致肿瘤发生等严重问题。最新版本的先导编辑器，大约每编辑 7 次到 121 次，就会出现一次错误。

2025 年 9 月 17 日，麻省理工学院Robert Langer团队在Nature期刊发表了题为：Engineered prime editors with minimal genomic errors的研究论文。

该研究通过对先导编辑器中的 Cas9 蛋白的修饰，开发了一种下一代先导编辑器 vPE，大幅降低了其在基因组编辑中出现错误的概率，从而让先导编辑更加安全可控。此外，vPE 并未让递送系统复杂化，也没有增加额外步骤，就实现了更精确的编辑，减少不必要的编辑错误。

先导编辑器（Prime Editor，PE）是一种先进的 CRISPR 基因编辑工具，由刘如谦教授团队于 2019 年开发。先导编辑器由一个逆转录酶（RT）和Cas9 切口酶（Cas9n）融合蛋白以及一条编码基因组靶序列和预期编辑内容的 pegRNA 组成。

其编辑过程始于先导编辑器与基因组靶点结合并形成单链 DNA 切口，被切开的 3 DNA 被释放出来，与 pegRNA 模板配对，为逆转录酶启动将模板序列写入 3 DNA 的延伸部分提供引物。由此产生的经编辑的 3 新链可以取代竞争的 5 链，从而实现预期的编辑。此过程可适用于多种编辑类型，包括 DNA 的替换、插入和删除。

为提高先导编辑效率，研究人员已付出了大量努力，包括抑制细胞错配修复（MMR）、稳定 pegRNA 以及改造逆转录酶结构域。这些进展促成了高效且用途广泛的先导编辑系统。

一个关键的尚未解决的挑战在于，如何消除作为先导编辑副产品的错误。这些错误是在一小部分目标细胞中，因预期编辑未达成而产生的插入/缺失突变（indel），从而导致了不可预测且可能有害的 DNA 序列。

之前的研究已经确定了indel错误形成的主要驱动因素，首先，先导编辑器可能会将编辑后的 3 新链延伸到 pegRNA 模板之外，并进入支架。这可以通过重新编码 pegRNA 支架来解决，以限制其与基因组序列的同源性。其次，有时由于错配修复将 DNA 单链切口转化为 DNA 双链断裂（DSB），这可能会产生错误的双链断裂，从而诱导与双链断裂修复一致的indel，这些indel可以通过抑制或避免错配修复来解决。第三，由先导编辑器生成的经编辑的 3 新链可能会在非预期位置发生末端连接，这常常会导致大片段的缺失或类似串联重复的插入，目前还没有应对这些错误的策略。

在先导编辑过程中，由于编辑后的 3 新链与互补链存在错配，其在置换竞争性 5 链时处于不利地位。研究团队推断这种对编辑后 3 新链退火的偏向性会限制编辑效率，并增加错误率。已知经切割的 DNA 底物中，3 末端可从结合的 Cas9 复合物中脱离，而 5 末端则保持稳定结合状态。研究团队推测，若使 5 末端定位失稳，可能促使其发生降解。

该团队在之前的研究中发现，Cas9-DNA 界面上的突变可松弛切口定位，这促使他们探索先导编辑器形成的竞争性 5 链是否能够被有效失稳。

该研究通过考察可诱导切口末端降解的 Cas9 切口定位松弛突变，对先导编辑器进行工程化改造。结果意外发现，切口松弛对 indel 错误的产生具有显著影响。利用这一机制，研究团队进一步通过理性设计，开发出了高效且几乎不产生 indel 错误的先导编辑器。

将这种抑制错误的策略与最新的提高效率的架构相结合，研究团队设计出了下一代先导编辑器 vPE。与之前的先导编辑器相比，vPE 的编辑效率效率，但indel错误率降为原来的 1/60，编辑 543 次才会出现一次indel 错误。

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