基因治疗是现代医学的前沿技术，通过修复或替换有缺点的基因来治疗疾病。

“靶向基因整理”是基因治疗的重点环节，目的是将健康基因准确插入基因组并使其长期稳定工作，其中，就要用到基因写入技术。

与传统的先切断再重组的基因编辑相比，基因写入技术直接将新的基因片段添加到基因组,具备明显的技术优势。然而，现有些以DNA为媒介的写入技术在准确性、安全性和效率方面存在局限。

近期，中国科学院动物研究所的李伟和周琪团队的一项新研究，提供了一个解决方法。他们在国际范围内，初次达成了以RNA为媒介的基因精准写入，有望为遗传病和肿瘤病人提供更安全高效的治疗办法。有关成就发表在2024年7月8日的《细胞》(Cell)杂志上。

他们是如何做到的呢？为何以RNA为媒介，可以达成更安全、精准的基因写入呢？

目前的基因编辑技术主要用改造后的病毒作为载体，将DNA片段送入细胞并整理到基因组中。这类载体一般不会引发疾病，但它们保留的病毒结构仍然可能引起免疫系统的攻击，致使炎症或治疗失败。除此之外，这种整理过程具备肯定的随机性，可能插入非预期的位点，破坏正常基因的功能，致使不可预测的不良反应。

因此，科学家们开始探索更安全准确的整理技术。他们关注到了一类存在于基因组中的特殊序列——转座子。转座子能通过特定机制在基因组中移动，早期被叫做“跳跃基因”，是生物基因组进化的动力之一。

转座子有两类型型：DNA转座子和逆转座子，当然了，它们都是DNA片段。其中，DNA转座子通过“剪切-粘贴”机制，从基因组的一个地方直接移动到另一个地方。逆转座子则需要借用RNA。

RNA是用DNA携带的遗传信息指导蛋白质合成的中间分子。以DNA为模板合成RNA (mRNA)的过程叫“转录”；而反过来，以RNA为模板合成DNA就叫“逆转录”。逆转座子通过逆转录，借用其对应的RNA合成我们的拷贝，再插入基因组的特定地方。科学家们想用这一机制，整理额外的供体RNA片段。

供体RNA是人工合成或从外部添加到细胞中的RNA片段。它携带用于治疗的基因信息，通过逆转录成DNA，可以和转座子一并插入基因组中。

因为RNA是单链分子，体积更小，供体RNA可以装入脂质纳米颗粒中并被细胞膜高效吸收，不需要病毒载体。这种基因递送方法困难引起免疫反应，安全性更高。

这项研究中关注的R2是一类天然存在于生物基因组中的逆转座子。它转录出的RNA能辨别并绑定于基因组中的特定地方。在人类基因组中，R2的移动位点一般离得远远的与癌症有关的要紧基因，因此相对安全。R2逆转座子还能编码一种酶，这种酶会在目的地方的DNA上切开一个口子，引导RNA逆转录成新的DNA，并将它整理到切口上，从而完成逆转座子的复制和插入。

R2逆转座子的安全性和对位点的高度特异性使其在基因整理方面具备巨大潜力。然而，之前的研究极少系统性讨论R2在哺乳动物细胞中的活性；而且现在基因写入技术主要集中在短片段，R2能否有效整理长段的功能性基因还有待证实。这方面，中国科学家获得了突破。

研究职员剖析了R2逆转座子在自然界的多样性，发现为了维护基因组的稳定性，哺乳动物细胞中的天然转座子在进化过程中被抑制，其活性不足以用于基因治疗。而非哺乳动物（比如鸟类）中存在的R2却有潜力用于开发新的基因整理工具。但R2离开原来的宿主，在不同物种或不相同种类型的细胞环境里几乎没插入基因的能力。所以，假如要借助非哺乳动物的R2用于人类的基因治疗，就得设法增加它们在哺乳动物细胞中的活性。

研究职员选择了来自斑胸草雀的R2系统作为改进起点，通过修改R2的特定序列，并调整其编码的蛋白质结构，成功提高了R2在人体细胞（人类胚肾细胞）中的基因整理效率。团队进一步优化了供体RNA的结构，协同增强了基因整理的效率。

优化后的R2工具在人体细胞中具备高度特异性，还能整理较长的基因片段。当填充序列长度约2.5 kb时，仍能维持较高的基因整理率。为了察看这套工具的长期成效，研究职员将一个可以编码绿色荧光蛋白的基因整理到人体细胞中，发现整理效率超越20%，且成效持续了一个多月。

虽然这套工具现在只可以用于插入新的基因片段，还不可以对已有基因进行精确的修改，但它在基因整理技术方面提供了一种新思路。将来的研究值得期待——大家将继续优化这项技术，探索其在更复杂基因编辑中的应用潜力，为基因治疗开辟新的渠道。

参考文献：Chen, Y., Luo, S., Hu, Y., Mao, B., Wang, X., Lu, Z., ... Li, W. (2024). All-RNA-mediated targeted gene integration in mammalian cells with rationally engineered R2 retrotransposons. Cell. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.06.020

Tags：基因编辑