先进的基因编辑器能够更精确地插入完整的基因

如果问科学家们最需要哪种基因编辑工具来推进基因治疗，他们可能会描述一种系统，该系统现在已接近在哥伦比亚大学Vagelos内科医生和外科医生学院的Samuel Sternberg以及麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的David Liu的实验室中实现。

名为evoCAST的基因编辑器在解决一个从该领域开始就困扰基因疗法发展的问题方面取得了长足的进步：如何在人类基因组中的特定位置添加长片段DNA，而不会产生不必要的修饰。

最新一代的编辑器利用细菌中的复杂酶，可以编程将整个基因或多个基因插入人类基因组的特定位置，其效率适合基因治疗。编辑的详细信息在《科学》杂志上发表的一篇论文中有所描述。

对先进基因编辑器的需求

CRISPR-Cas、病毒和其他编辑系统使目前正在为患者开发的数十种基因药物成为可能，但目前所有的方法都有缺点。有些方法很精确，但只做了很小的修正。病毒是基因治疗中最常用的方法，可以插入完整的基因，但在激活免疫反应的同时会随机插入。

像evoCAST这样的工具可以使基因治疗更加可靠和有效，特别是对于由数千种不同突变中的任何一种引起的囊性纤维化和血友病等疾病。Sternberg说：“例如，CFTR基因中的数百到数千种不同突变会导致囊性纤维化，因此需要大量不同的基因编辑药物来确保每个患者都能得到治疗。”“相反，像evoCAST这样的东西可以实现单一基因治疗，将完整健康的基因插入患者的基因组。”。“

新系统还可以在其他医学和研究应用中实现更简单、更准确的基因编辑，包括生产用于癌症治疗的CAR T细胞疗法，以及生物医学研究所需的转基因细胞系和模式生物。

由‘跳跃基因’开发的新编辑器

evoCAST基于Sternberg实验室几年前在细菌中发现的一种自然系统，该系统允许基因跳跃到细菌基因组中的新位置。（跳跃基因也称为转座子，可通过产生遗传多样性使物种受益）。作为潜在的基因编辑系统。一个优势是能够在不破坏染色体的情况下插入大量DNA，这可能会带来严重的意外错误。另一个优势在于该系统的“可编程性，“它将插入定向到研究人员指定的基因组中的任何位置。

使细菌系统适应人类细胞被证明是具有挑战性的。斯特恩伯格的研究生乔治·兰佩成功开发了该系统，使其在人类细胞中工作，但该技术的早期版本效率较低。

斯特恩伯格早就预料到了这一困难。”CAST系统的存在是为了帮助移动基因在进化时间尺度上在基因组中跳跃。它们没有受到有效行动的选择性压力，因此我们认为，与CRISPR-Cas9相比，更需要从这些系统中挤出更多的活性，CRISPR-Cas 9已经进化成一个非常强大和有效的系统，可以拯救细菌免受病毒感染。“

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人工进化改善了基因编辑

斯特恩伯格和兰佩没有猜测哪些变化可以改善他们的系统，而是求助于哈佛大学和博德研究所的分子生物学家和有机化学家David Liu，他建立了一种加速蛋白质进化的实验室技术PACE。兰佩将系统的性能提升到了一个程度，使PACE成为一种可行的选择，艾萨克·维特和西蒙·艾茨刘实验室的两名研究生inger将该系统转移到PACE中，使数百轮进化能够在最小的干预下进行。

“PACE加速了进化，并改善了酶，超出了研究人员通常用靶向、，Lampe说：“通过PACE获得的突变大大提高了整个CAST系统的性能。“

经过数百代进化，新的evoCAST系统能够编辑30%至40%的细胞，比原始系统较低的编辑率有了巨大的提高。

下一步

evoCAST已经实现了适用于某些基因编辑和基因治疗应用的效率，研究人员正寻求在更相关的模型系统中开始测试他们的系统。

与此同时，该团队正在继续进行改进，包括更改其他evoCAST组件，以进一步提高编辑效率。但目前evoCAST和其他正在开发的大型DNA编辑工具面临的最大挑战之一。

“我们如何将这些工具及其有效载荷放入感兴趣的细胞或组织中？斯特恩伯格说：“这是我们许多业内人士面临的挑战。”。p