基因组编辑工具箱为人类基因组工程改造提供了前所未有的机遇，但面向治疗应用的基因组编辑技术仍存在诸多局限。目前大多数编辑方法依赖非靶向基因递送，或仅能实现短DNA序列编辑，且需要针对每位患者进行个体化定制。
最新发表的一篇研究论文报道了名为先导组装（prime assembly）的新型基因组工程技术，可将长DNA片段精准、可编程地整合到活细胞基因组的目标位点。该技术利用CRISPR靶向的双侧翼序列合成策略，有望推动通用型基因疗法的开发。
该研究成果发表于《自然》（Nature），论文标题为《利用先导组装实现靶向基因组整合与重排》（Targeted genomic integration and rearrangement using prime assembly）。
先导组装技术基于先导编辑（prime editing）技术开发而来，后者可实现精准但规模较小的插入、缺失及碱基替换。研究作者指出，这一全新方法“可实现RNA可编程的单链或双链DNA片段位点特异性整合。与同源定向修复不同，先导组装在分裂细胞和非分裂细胞中均具有相当的编辑活性”。
研究团队利用先导组装技术完成了靶向外显子重编码、转基因整合、兆碱基规模基因组重排等操作，编辑位点包括原代人源细胞中具有治疗价值的相关基因座。
先导组装的单步操作流程可在基因组特定位置合成新的DNA侧翼序列，这些侧翼序列可作为衔接链，捕获末端序列匹配的DNA片段。经精准组装的DNA插入片段（可为单个或多个基因长度的DNA序列）可形成稳定的大片段永久编辑。
波士顿儿童医院基因治疗项目负责人Daniel Bauer医学博士/哲学博士解释称：“该技术通过先导编辑在基因组每条链上各合成一个侧翼序列，可精准控制DNA替换的起始和终止位置。由于该技术基于先导编辑开发，与其他基因编辑方法相比，产生脱靶效应的风险大幅降低。”
脱靶效应的潜在风险之一是细胞毒性。非靶向插入方法可能在错误的细胞环境中激活异常基因，进而诱导癌变风险，而先导组装的靶向插入策略可规避这一风险。此外，先导组装不依赖DNA双链断裂或双链DNA供体，二者均具有细胞毒性，可诱导非预期的细胞应激反应。其他基因编辑方法大多仅能在分裂细胞中发挥作用，而人体内分裂细胞占比极低，且更易发生非预期DNA改变，先导组装则可在非分裂细胞中正常工作。
基于这一里程碑成果，研究团队将进一步探究相关分子机制，以开发效率更高、精准性更强的编辑系统。随着技术的不断优化，研究人员希望该技术可在临床中实现下游转化应用。由于该技术可同时修正多个突变，有望为遗传性疾病的治疗提供通用型解决方案。
Bauer表示：“我们正致力于优化先导组装组分向体内（in vivo）疾病相关人源细胞的递送效率，例如针对血液疾病治疗的造血干细胞。我们同时也在探索先导组装的多种应用场景，以递送不依赖特定突变的基因治疗载荷，为存在未满足临床需求的严重遗传性疾病恢复基因调控功能。”
专业注释
- 同源定向修复：细胞利用同源模板修复DNA双链断裂的精确修复通路
- 兆碱基：基因组长度单位，1兆碱基等于100万个碱基对
- 基因座：基因在基因组上的特定位置