對(duì)癌癥患者的基因組研究，揭示了數(shù)千種與癌癥發(fā)展有關(guān)的基因突變。然而，其中絕大多數(shù)基因突變究竟是如何導(dǎo)致癌癥的，其實(shí)并不清楚，這主要是因?yàn)闆](méi)有簡(jiǎn)單的方法在動(dòng)物模型中對(duì)它們進(jìn)行進(jìn)一步研究。

在動(dòng)物模型（小鼠模型）中對(duì)抗癌藥物進(jìn)行測(cè)試，是確定藥物安全性、有效性，以及是否能夠進(jìn)入人體臨床試驗(yàn)的至關(guān)重要的一步。在過(guò)去20年里，研究人員利用基因工程技術(shù)刪除抑癌基因或激活促癌基因來(lái)創(chuàng)建小鼠模型。

然而，這種方法是勞動(dòng)密集型的，需要幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)構(gòu)建和分析具有單一癌癥相關(guān)基因突變的小鼠。一個(gè)博士研究生往往幾年學(xué)術(shù)生涯都圍繞在構(gòu)建一個(gè)突變小鼠模型上，以這種進(jìn)度，現(xiàn)在癌癥基因組圖譜中所有突變，需要再花費(fèi)幾十年時(shí)間才能構(gòu)建完成。

2013年，CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)橫空出世，并成功應(yīng)用于哺乳動(dòng)物的基因組編輯?？茖W(xué)家們也開(kāi)始探索使用CRISPR-Cas9技術(shù)更簡(jiǎn)單高效地構(gòu)建癌癥基因突變模型。然而，CRISPR-Cas9可以很容易地敲除基因，但卻不適合在基因組中插入新突變。

2023年5月11日，麻省理工學(xué)院的 Tyler Jacks 團(tuán)隊(duì)在 Nature Biotechnology 期刊發(fā)表了題為：A prime editor mouse to model a broad spectrum of somatic mutations in vivo 的研究論文【1】。

該研究開(kāi)發(fā)了一種基于先導(dǎo)編輯（Prime Editing）的方法，可以輕松將特定的癌癥相關(guān)基因突變?cè)O(shè)計(jì)到小鼠模型中，使用該方法，研究團(tuán)隊(duì)在不同器官中創(chuàng)建了致癌基因Kras的幾種不同突變的模型，更重要的是，該方法可以用于幾乎任何其他類(lèi)型的癌癥相關(guān)基因突變的模型構(gòu)建，幫助研究人員識(shí)別和測(cè)試靶向這些突變的新藥。

Tyler Jacks 教授

論文通訊作者 Tyler Jacks 教授表示，這是一個(gè)非常強(qiáng)大的工具，可以在活體動(dòng)物身上檢查任何感興趣的基因突變的影響，而且所花費(fèi)的時(shí)間要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法。

2019年10月21日，劉如謙團(tuán)隊(duì)在 Nature 發(fā)表論文【2】，開(kāi)發(fā)了一種全新的精準(zhǔn)基因編輯工具——先導(dǎo)編輯（Prime Editing），無(wú)需依賴(lài)DNA模板便可有效實(shí)現(xiàn)所有12種單堿基的自由轉(zhuǎn)換，而且還能有效實(shí)現(xiàn)多堿基的精準(zhǔn)插入與刪除。

先導(dǎo)編輯系統(tǒng)由兩部分組成：一部分是由Cas9切口酶（nickase）和工程逆轉(zhuǎn)錄酶（RT）的融合蛋白；另一部分是向?qū)NA——pegRNA。Cas9切口酶只切割DNA雙鏈中的一條鏈，不會(huì)造成DNA雙鏈斷裂，因此避免了DNA修復(fù)時(shí)可能引入的錯(cuò)誤，更具安全性。

相比堿基編輯（Base Editing），先導(dǎo)編輯（Prime Editing）可覆蓋絕大多數(shù)癌癥相關(guān)基因突變

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將編碼先導(dǎo)編輯酶的基因植入小鼠的生殖細(xì)胞來(lái)設(shè)計(jì)新的小鼠模型，這意味著小鼠的每個(gè)細(xì)胞都自帶了一套先導(dǎo)編輯系統(tǒng)，但在被Cre重組酶激活前，先導(dǎo)編輯系統(tǒng)會(huì)一直保持沉默。

由于先導(dǎo)編輯系統(tǒng)已存在于小鼠基因組中，研究人員只需將Cre重組酶和對(duì)特定基因位點(diǎn)進(jìn)行編輯的向?qū)NA（pegRNA）注射到想要表達(dá)癌癥基因突變的組織中，就可以在特定組織中誘導(dǎo)單堿基替換，以及DNA的缺失或添加，從而創(chuàng)造任何想要的癌癥相關(guān)基因突變，進(jìn)而啟動(dòng)腫瘤生長(zhǎng)。

為了證明這項(xiàng)技術(shù)的潛力，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)Kras基因進(jìn)行了進(jìn)一步研究，Kras基因與大約30%的人類(lèi)癌癥有關(guān)（尤其是胰腺癌、肺癌、結(jié)直腸癌），但Kras基因的突變類(lèi)型多種多樣，其中最常見(jiàn)的是發(fā)生在G12位置處的突變，這里的突變導(dǎo)致原本編碼的甘氨酸替換成了其他氨基酸（例如G12C，甘氨酸替換成了半胱氨酸）。

使用該技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了在肺癌中發(fā)現(xiàn)的四種不同類(lèi)型的Kras突變（G12C、G12D、G12R、G12A）的模型。令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)，這些模型中產(chǎn)生的腫瘤具有非常不同的特征，例如，G12R突變產(chǎn)生較大的侵襲性肺腫瘤，而G12A突變產(chǎn)生的腫瘤較小且進(jìn)展較慢。

更多地了解這些基因突變?nèi)绾我圆煌姆绞接绊懩[瘤發(fā)展，可以幫助研究人員開(kāi)發(fā)針對(duì)每種不同基因突變的藥物。目前，只有兩種FDA批準(zhǔn)的靶向Kras突變的藥物，它們都是針對(duì)G12C突變，G12C突變約占肺癌中Kras突變的30%。

研究團(tuán)隊(duì)還使用該技術(shù)在胰腺癌類(lèi)器官中創(chuàng)建了幾種不同的p53基因（p53是最重要的抑癌基因）突變模型。據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)目前正在使用該技術(shù)構(gòu)建不同p53基因突變小鼠模型，還在研究其他Kras基因突變小鼠模型，以及其他有助于Kras抑制劑耐藥性的突變。

總的來(lái)說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)在小鼠中構(gòu)建了Cre重組酶誘導(dǎo)的體內(nèi)先導(dǎo)編輯系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，可以通過(guò)脂質(zhì)納米顆粒在體內(nèi)進(jìn)行體細(xì)胞先導(dǎo)編輯，還能通過(guò)病毒載體遞送先導(dǎo)編輯的pegRNA，或原位移植先導(dǎo)編輯過(guò)的類(lèi)器官，來(lái)模擬肺癌或胰腺癌。該研究開(kāi)發(fā)的這種方法將加速癌癥相關(guān)基因突變和復(fù)雜基因組合的功能研究，從而加速相關(guān)藥物研發(fā)效率。