作者：徐斯佳

基因治疗是现代医学的前沿技术，通过修复或替换有缺陷的基因来治疗疾病。

“靶向基因整合”是基因治疗的关键环节，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,具有明显的技术优势。然而，现有的以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。

最近，中国科学院动物研究所的李伟和周琪团队的一项新研究，提供了一个解决方案。他们在国际范围内，首次实现了以RNA为媒介的基因精准写入，有望为遗传病和肿瘤患者提供更安全高效的治疗方法。相关成果发表在2024年7月8日的《细胞》(Cell)杂志上。

他们是怎么做到的呢？为什么以RNA为媒介，可以实现更安全、精准的基因写入呢？

当前的基因编辑技术主要使用改造后的病毒作为载体，将DNA片段送入细胞并整合到基因组中。这些载体通常不会引发疾病，但它们保留的病毒结构仍然可能引起免疫系统的攻击，导致炎症或治疗失败。此外，这种整合过程具有一定的随机性，可能插入非预期的位点，破坏正常基因的功能，导致不可预测的副作用。

因此，科学家们开始探索更安全准确的整合技术。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，早期被称为“跳跃基因”，是生物基因组进化的动力之一。

转座子有两种类型：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，从基因组的一个位置直接移动到另一个位置。逆转座子则需要借助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，借助其对应的RNA合成自己的拷贝，再插入基因组的特定位置。科学家们想用这一机制，整合额外的供体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。

由于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，无需病毒载体。这种基因递送方式不容易引起免疫反应，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能识别并绑定于基因组中的特定位置。在人类基因组中，R2的移动位点通常远离与癌症相关的重要基因，因此相对安全。R2逆转座子还能编码一种酶，这种酶会在目标位置的DNA上切开一个口子，引导RNA逆转录成新的DNA，并将其整合到切口上，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合方面具有巨大潜力。然而，之前的研究很少系统性讨论R2在哺乳动物细胞中的活性；而且目前基因写入技术主要集中在短片段，R2能否有效整合长段的功能性基因还有待证实。这方面，中国科学家取得了突破。

研究人员分析了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（例如鸟类）中存在的R2却有潜力用于开发新的基因整合工具。但R2离开原本的宿主，在不同物种或不同类型的细胞环境里几乎没有插入基因的能力。所以，如果要利用非哺乳动物的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。

研究人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，成功提升了R2在人体细胞（人类胚肾细胞）中的基因整合效率。团队进一步优化了供体RNA的结构，协同增强了基因整合的效率。

优化后的R2工具在人体细胞中具有高度特异性，还能整合较长的基因片段。当填充序列长度约2.5 kb时，仍能保持较高的基因整合率。为了观察这套工具的长期效果，研究人员将一个可以编码绿色荧光蛋白的基因整合到人体细胞中，发现整合效率超过20%，且效果持续了一个多月。

虽然这套工具目前只能用于插入新的基因片段，还不能对已有基因进行精确的修改，但它在基因整合技术方面提供了一种新思路。未来的研究值得期待——人们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途径。

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

作者：徐斯佳

审核：梁前进 北京师范大学生命科学学院 教授