遗传病的治疗是现代医学的一大挑战。在过去的十年中，CRISpR技术的发展和遗传学研究的进步为患者及其家人带来了新的希望，但这些新方法的安全性仍然令人担忧。

加州大学圣地亚哥分校的一个研究团队近日在《Science Advances》杂志上描述了一种更安全的新方法，有望应用于基因缺陷的纠正。这种基于天然DNA修复机制的策略带来了新的基因治疗方法，有望治愈多种遗传疾病。

对于多个病例而言，遗传病患者从父母那里继承来的两个基因拷贝携带了不同的突变。这通常意味着，一条染色体上的突变在另一条染色体上有对应的功能序列。研究人员利用这一事实来开展修复。

共同通讯作者、加州大学圣地亚哥分校的Annabel Guichard表示：“在切断突变DNA后，细胞的修复机制可以利用健康的变异来纠正有缺陷的突变。值得注意的是，一个简单无害的切口便能够有效地实现这一点。”

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于是，研究人员在果蝇中开展研究。他们设计出一种突变体，能够通过果蝇眼睛中色素的产生来观察这种同源染色体模板修复（HTR）。这些突变体最初的特征是眼睛完全呈白色。不过，当果蝇表达CRISpR组分时，它们的眼睛会出现大片红色斑块，表明细胞的DNA修复机制已经成功利用另一条染色体上的功能性DNA逆转了突变。

之后，他们用被称为“切口酶（nickases）”的Cas9变体来测试他们的新系统，这种变体只针对一条DNA链，而不是两条DNA链。令人惊讶的是，他们发现，这种切口也能很好地恢复红眼颜色，使其几乎与正常（非突变）健康果蝇一样。

他们发现，切口酶的修复成功率达到50-70%，而双链切割Cas9的修复成功率仅为20-30%，且后者也会产生频繁的突变，并靶向基因组中的其他位点，也就是所谓的脱靶效应。

第一作者Sitara Roy表示：“我简直不敢相信切口酶的效果这么好——这完全出乎意料。”研究人员指出，新系统功能多样，可作为修复哺乳动物基因突变的模型。

“我们还不知道如何将这一过程转化到人类细胞，以及是否可将其应用于各种基因，”Guichard谈道。“对于人类染色体所携带的致病突变，也许需要进行一些调整才能实现高效的同源模板修复。”

新研究的一个关键特点是，与传统的基于Cas9的CRISpR基因编辑相比，这种基于切口酶的系统引起的on-target和off-target突变要少得多。研究人员还表示，在几天时间内缓慢递送切口酶组分可能比一次性递送更有益。

“这种方法的另一个显著优势是它非常简单，”共同通讯作者Ethan Bier说。“它依赖的组分很少，而且DNA切口是‘温和的’，这与Cas9不同，Cas9会产生完整的DNA断裂，且往往伴随着突变。”

研究人员指出，如果可通过促进同源物配对或优化切口特异性修复过程来提高编辑效率，那么就能够利用此类策略来纠正许多显性或跨杂合子致病突变。

原文检索

Cas9/Nickase-induced allelic conversion by homologous chromosome-templated repair in Drosophila somatic cells

SCIENCE ADVANCES 1 Jul 2022 Vol 8, Issue 26 DOI: 10.1126/sciadv.abo0721