研究人员阐明了一种新型基因编辑工具“prime editor”的空间结构和分子机制

东京大学的Shuto Yutaro、Nakagawa Ryoya和Osamu Nureki领导的联合研究确定了一种名为“prime editor”的新型基因编辑工具的各种过程的空间结构。基于这些结构的功能分析还揭示了“prime ditor”如何实现逆转录，从RNA合成DNA，而无需“切割”双螺旋的两条链

阐明这些分子机制有助于设计足够准确的基因编辑工具，用于基因治疗。研究结果发表在《自然》杂志上

2020年诺贝尔化学奖授予詹妮弗·杜德纳和埃马纽埃尔·夏彭蒂尔，因为他们开发了一种开创性但简单的方法来编辑活生物体的“蓝图”DNA。虽然他们的发现为研究开辟了新的途径，但该方法的准确性和“切割”两股DNA的安全性问题限制了其在基因治疗中的应用。因此，目前正在进行研究，以开发不存在这些缺点的工具

素数编辑系统就是这样一种工具，一种由两种成分组成的分子复合体。一个组件是主编辑器，它结合了第一个CRISPR-Cas基因编辑技术中使用的SpCas9蛋白和逆转录酶，逆转录酶是一种将RNA转录成DNA的酶

第二个成分是主要编辑引导RNA（pegRNA），这是一种修饰的引导RNA，可以识别DNA中的靶序列并编码所需的编辑。在这个复合体中，主编辑器就像一个“文字处理器”，准确地替换基因组信息。该工具已经在植物、斑马鱼和小鼠等生物体的活细胞中成功应用。然而，这种分子复合体是如何执行编辑过程的每一步的，目前尚不清楚，主要是因为缺乏关于其空间结构的信息

该论文的第一作者Shuto说：“我们开始好奇蛋白质Cas9和逆转录酶的非自然组合是如何协同工作的。”

研究小组使用了低温电子显微镜，这是一种成像技术，可以在近原子尺度上进行观测。该方法要求样品位于玻璃冰中，以保护它们免受电子束的潜在损伤，这带来了一些额外的挑战

Shuto解释道：“我们发现主编辑器复合体在实验条件下是不稳定的。”。“因此，优化复合物保持稳定的条件非常具有挑战性。很长一段时间以来，我们只能确定Cas9的结构。”

最终克服了这些挑战，研究人员成功地确定了在靶DNA上逆转录过程中处于多种状态的主编辑器复合物的三维结构

结构显示，逆转录酶与RNA–DNA复合物结合，该复合物沿着Cas9蛋白的“部分”形成，与DNA切割有关，即双螺旋的单链分裂。在进行逆转录时，逆转录酶保持其相对于Cas9蛋白的位置。结构和生物化学分析还表明，逆转录酶可能导致额外的、不希望的插入

这些发现为基础研究和应用研究开辟了新的途径。因此，舒托提出了下一步行动

“我们在这项研究中的结构确定策略也可以应用于由不同的Cas9蛋白和逆转录酶组成的引物编辑器。我们希望利用新获得的结构信息来开发改进的引物编辑器”