麻省理工學院(MIT)和哈佛大學(Harvard)布羅德研究所(Broad Institute)的研究人員開發了一種新版本的prime editor，可以安裝或替換基因大小的DNA序列。prime editor於2019年首次開發，是在人類細胞中進行廣泛基因編輯的一種精確方法，包括小替換、插入和刪除。
Prime editing, 最開始由Broad研究所David Liu開發，可在不產生DSB或引入供體DNA的情況下實現基因組遺傳信息的重新編寫。相關研究在2019年10月21號發表在Nature雜誌上。Prime editing將基因組編輯提升到了一個新的水平，這種方法允許引入所有突變類型，包括插入、缺失和12種鹼基-鹼基轉換。這項技術最初在人體細胞中進行研究，主要是期待解決由鹼基突變引起的人類遺傳病問題。
在今天發表在《Nature Biotechnology》雜誌上的一項研究中，研究小組描述了雙prime editing(twinPE)，這種技術通過兩個相鄰的prime edits，在基因組的特定位置引入更大的DNA序列，幾乎沒有多餘的副產物。隨着技術的進一步發展，該技術有可能成為一種新的基因治療形式，以安全、高靶向的方式插入治療基因，以替代突變或缺失的基因。
研究人員通過在人類細胞中編輯與亨特綜合征(一種罕見的遺傳疾病)相關的基因，證明了twinPE的治療潛力。這種疾病是由一個特定的40000鹼基對長的DNA鏈的反轉引起的。該團隊使用twinPE在基因組的同一位置引入了一個相似長度的倒置，展示了如何使用該方法來糾正致病突變。該團隊還使用了twinPE，精確地將數千個鹼基對的基因大小的DNA貨物插入基因組中治療相關的位置。
該方法解決了原始prime editing系統的一個限制，該系統只能編輯幾十個鹼基對。然而，一些遺傳疾病的研究或治療可能需要更大的編輯。與最初的prime editing方法一樣，twinPE也沒有在同一位置同時切斷兩條DNA雙螺旋，這可能導致編輯結果控制不良和有害的染色體異常。
“在我們選擇的位置將健康基因插入患者體內，而不產生雙鏈斷裂和混合副產物，一直是基因編輯領域的長期挑戰之一。”該研究的資深作者David Liu說。
“TwinPE可能是一種更安全、更精確的方法，可以將治療性基因插入到我們指定的位置，比如健康個體的本地基因位置，或者被認為將副作用風險降到最低的‘安全港’位置。”
由劉的實驗室開發的prime editing技術，使DNA替換、插入和刪除成為可能，並承諾糾正大多數已知的致病基因變異。最近對prime editing技術的改進提高了其效率，使其更接近治療應用。但是編輯超過100個鹼基對的序列仍然是低效的。
TwinPE填補了這一空白。該系統使用一個prime editing蛋白和兩個prime editing指導RNA，它們指導編輯機制並對編輯進行編碼。這兩種引導RNA中的每一種都會引導編輯蛋白在基因組中不同的目標位點上在DNA中形成單鏈缺口，從而避免在其他方法中產生不需要的副產物的那種雙鏈斷裂。然後，該系統合成了兩條新的互補DNA鏈，在兩個缺口之間包含了所需的序列。使用這種方法，該團隊能夠插入、替換或刪除高達800個鹼基對的序列。
為了編輯更大的序列，研究人員使用他們的TwinPE系統在基因組中為被稱為位點特異性重組酶的酶安裝“着落位點”，這種酶催化基因組中特定位點的DNA整合。然後，研究小組用重組酶處理這些細胞，並引入他們想要插入基因組的長DNA片段。結合twinPE和重組酶，科學家可以編輯數千個鹼基對的序列，這是整個基因的長度。
劉教授和他的團隊現在正在測試不同的重組酶，它們可能會使twinPE更有效。他們還在評估twinPE安裝更長的基因序列的能力。