引導編輯研究進展及其應用

許志錳，謝震

（清華大學自動化系，北京信息科學與技術國家研究中心，生物信息學研究部，生物信息學教育部重點實驗室，合成與系統生物學研究中心，北京 100084）

CRISPR/Cas9系統及其衍生的堿基編輯器、引導編輯器是當前應用最廣泛的基因編輯技術，已成功應用于多種細菌、植物以及動物中［1］。CRISPR/Cas9系統源于細菌或古菌的獲得性免疫系統，其作用原理是Cas9在引導RNA（single guide RNA，sgRNA）的引導下，切割靶點形成雙鏈斷裂（double-strand break， DSB），此后會引發非同源末端連接（non-homologous end joining， NHEJ）、微同源末端連接（microhomology-mediated end joining， MMEJ）或同源重組（homology dependent repair， HDR）［2］。DSB往往會產生大量不可控的小插入或缺失（indel），甚至是大片段缺失，還會引發p53介導的DNA損傷反應，致使細胞周期停止甚至細胞凋亡［3-4］。

野生型Cas9蛋白可以切割DNA雙鏈，而引入D10A或H840A突變可以使Cas9損失切割其中一條DNA單鏈的能力，使Cas9成為Cas9切口酶（Cas9 nickase，Cas9n）。將Cas9n與脫氨酶結構域相融合而成的胞嘧啶堿基編輯器（cytosine base editor， CBE）可以將DNA上的胞嘧啶（C）脫氨而成尿嘧啶（U），經過內源DNA修復或復制過程后轉化為胸腺嘧啶（T），最終實現C到T的替換。CBE一經報道，其不引入雙鏈斷裂、編輯效率較高等優良特性迅速吸引學界關注和廣泛應用［5］。此后，研究人員又報道了可實現A到G［6］、C到G［7］、A到C［8］以及G到T［9］等其他堿基替換的堿基編輯器，近期也有報道將Cas9的遠古祖先——IscB蛋白開發成堿基編輯器［10］，堿基編輯器領域可謂蓬勃發展。但堿基編輯器也存在編輯窗口局限，不能實現全部12種堿基替換，也有不能達到單堿基精度的替換等問題［1］。

2019年David Liu課題組［11］報道了引導編輯器（prime editor，PE）。PE將Cas9n（H840A）與莫洛尼鼠白血病病毒逆轉……