先导编辑技术，轻松设计癌症突变小鼠模型，加速癌症基因突变研究

对癌症患者的基因组研究，揭示了数千种与癌症发展有关的基因突变。然而，其中绝大多数基因突变究竟是如何导致癌症的，其实并不清楚，这主要是因为没有简单的方法在动物模型中对它们进行进一步研究。

在动物模型（小鼠模型）中对抗癌药物进行测试，是确定药物安全性、有效性，以及是否能够进入人体临床试验的至关重要的一步。在过去20年里，研究人员利用基因工程技术删除抑癌基因或激活促癌基因来创建小鼠模型。

然而，这种方法是劳动密集型的，需要几个月甚至几年的时间来开发构建和分析具有单一癌症相关基因突变的小鼠。一个博士研究生往往几年学术生涯都围绕在构建一个突变小鼠模型上，以这种进度，现在癌症基因组图谱中所有突变，需要再花费几十年时间才能构建完成。

2013年，CRISPR-Cas9基因编辑技术横空出世，并成功应用于哺乳动物的基因组编辑。科学家们也开始探索使用CRISPR-Cas9技术更简单高效地构建癌症基因突变模型。然而，CRISPR-Cas9可以很容易地敲除基因，但却不适合在基因组中插入新突变。

2023年5月11日，麻省理工学院的 Tyler Jacks 团队在 Nature Biotechnology 期刊发表了题为：A prime editor mouse to model a broad spectrum of somatic mutations in vivo 的研究论文【1】。

该研究开发了一种基于先导编辑（Prime Editing）的方法，可以轻松将特定的癌症相关基因突变设计到小鼠模型中，使用该方法，研究团队在不同器官中创建了致癌基因Kras的几种不同突变的模型，更重要的是，该方法可以用于几乎任何其他类型的癌症相关基因突变的模型构建，帮助研究人员识别和测试靶向这些突变的新药。

论文通讯作者 Tyler Jacks 教授表示，这是一个非常强大的工具，可以在活体动物身上检查任何感兴趣的基因突变的影响，而且所花费的时间要远低于传统方法。

2019年10月21日，刘如谦团队在 Nature 发表论文【2】，开发了一种全新的精准基因编辑工具——先导编辑（Prime Editing），无需依赖DNA模板便可有效实现所有12种单碱基的自由转换，而且还能有效实现多碱基的精准插入与删除。

先导编辑系统由两部分组成：一部分是由Cas9切口酶（nickase）和工程逆转录酶（RT）的融合蛋白；另一部分是向导RNA——pegRNA。Cas9切口酶只切割DNA双链中的一条链，不会造成DNA双链断裂，因此避免了DNA修复时可能引入的错误，更具安全性。

相比碱基编辑（Base Editing），先导编辑（Prime Editing）可覆盖绝大多数癌症相关基因突变

在这项最新研究中，研究团队通过将编码先导编辑酶的基因植入小鼠的生殖细胞来设计新的小鼠模型，这意味着小鼠的每个细胞都自带了一套先导编辑系统，但在被Cre重组酶激活前，先导编辑系统会一直保持沉默。

由于先导编辑系统已存在于小鼠基因组中，研究人员只需将Cre重组酶和对特定基因位点进行编辑的向导RNA（pegRNA）注射到想要表达癌症基因突变的组织中，就可以在特定组织中诱导单碱基替换，以及DNA的缺失或添加，从而创造任何想要的癌症相关基因突变，进而启动肿瘤生长。

为了证明这项技术的潜力，研究团队对Kras基因进行了进一步研究，Kras基因与大约30%的人类癌症有关（尤其是胰腺癌、肺癌、结直肠癌），但Kras基因的突变类型多种多样，其中最常见的是发生在G12位置处的突变，这里的突变导致原本编码的甘氨酸替换成了其他氨基酸（例如G12C，甘氨酸替换成了半胱氨酸）。

使用该技术，研究团队开发了在肺癌中发现的四种不同类型的Kras突变（G12C、G12D、G12R、G12A）的模型。令人惊讶的是，他们发现，这些模型中产生的肿瘤具有非常不同的特征，例如，G12R突变产生较大的侵袭性肺肿瘤，而G12A突变产生的肿瘤较小且进展较慢。

更多地了解这些基因突变如何以不同的方式影响肿瘤发展，可以帮助研究人员开发针对每种不同基因突变的药物。目前，只有两种FDA批准的靶向Kras突变的药物，它们都是针对G12C突变，G12C突变约占肺癌中Kras突变的30%。

研究团队还使用该技术在胰腺癌类器官中创建了几种不同的p53基因（p53是最重要的抑癌基因）突变模型。据悉，该团队目前正在使用该技术构建不同p53基因突变小鼠模型，还在研究其他Kras基因突变小鼠模型，以及其他有助于Kras抑制剂耐药性的突变。

总的来说，研究团队在小鼠中构建了Cre重组酶诱导的体内先导编辑系统，利用该系统，可以通过脂质纳米颗粒在体内进行体细胞先导编辑，还能通过病毒载体递送先导编辑的pegRNA，或原位移植先导编辑过的类器官，来模拟肺癌或胰腺癌。该研究开发的这种方法将加速癌症相关基因突变和复杂基因组合的功能研究，从而加速相关药物研发效率。

论文链接：

1. https://www.nature.com/articles/s41587-023-01783-y

2. https://www.nature.com/articles/s41586-019-1711-4