高彩霞团队再获重要研究进展

北京时间2025年5月31日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队在《自然—通讯》（Nature Communications）上在线发表论文——“Circular RNA-mediated inverse prime editing in human cells”，报道开发了基于环状RNA的反向引导编辑系统。

高彩霞研究组助理研究员梁荣洪、博士后汪珊为该论文的共同第一作者，高彩霞研究员为通讯作者。

基于CRISPR-Cas9的引导编辑器（prime editors, PEs）能同时实现任意碱基类型的精准替换，以及小片段DNA的精准插入、替换和删除。当前引导编辑器均是利用非靶向链切口酶结合逆转录酶开发而成（图1a）。由于目前自然界发现的高效逆转录酶都只能利用模板沿着5′→3′的方向产生新的核酸序列，因此，传统的引导编辑系统只能在切割位点下游产生引导编辑，而无法在切割位点上游产生期望的高效编辑。因此，亟需开发一种新型引导编辑系统，以进一步扩展引导编辑的工作范围。高彩霞团队针对上述问题，耦合了环状RNA、靶向链切口酶、逆转录酶和解旋酶，开发了基于环状RNA的反向引导编辑系统。具体来讲，研究中首先将nCas9-H840A替换为靶向链切口酶nCas9-D10A，成功构建了反向引导编辑系统（inverse prime editors, iPEs）（图1b），其最高编辑效率仅为8.6%。进一步分析表明，引物结合位点（primer binding site, PBS）区域的DNA解旋效率不足是核心瓶颈。研究表明，环状RNA（circular RNA, circRNA）具有抵抗RNA外切酶降解的特性，显著提升环状RNA中RTT（reverse transcriptase template）和PBS的稳定性。同时，环状RNA还被证明可以与基因组序列结合，暗示环状RNA具有打开DNA双链的能力。基于此，团队开发出环状RNA介导的ciPE系统，将编辑效率提升至0.1%~24.7%。研究团队进一步引入一种改造的解旋酶Rep-X，该酶可促进DNA的3′→5′方向解旋，将编辑效率提升至2.7%~55.4%（图1c-d）。该解旋酶辅助的基于环状RNA的反向引导编辑系统克服了传统引导编辑系统不能编辑靶位点上游的难题，极大拓宽引导编辑范围，提高引导编辑系统的应用潜力。

图1: 开发人类细胞中的反向引导编辑系统。注：a-b, 传统引导编辑系统（a）只能编辑切割位点的下游，而反向引导编辑系统（b）可以编辑切割位点上游，拓宽引导编辑系统编辑范围。c, 反向引导编辑系统作用原理示意图。d, 解旋酶辅助的基于环状RNA的引导编辑系统在人类细胞HEK293T中实现高效基因组编辑。e, 反向引导编辑系统在乳腺癌疾病靶点BRCA1实现高效编辑。

本研究开发的解旋酶辅助ciPE系统在基因编辑效率、精确性及安全性方面均展现出显著优势。在乳腺癌疾病靶点BRCA1中，该系统实现了13.3%的编辑效率，显著优于PAMless PE（SpG 或 SpRY）和twinPE系统（图1e）。本研究还证明基于解旋酶和环状RNA的反向引导编辑系统具有较高的编辑纯度和较低的脱靶效应，有望成为疾病模型构建和基因治疗的有力工具。

该研究得到生物育种重大项目、国家重点研发计划、北京市科学技术委员会和国家自然科学基金的经费资助。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-59120-7