基因编辑技术的重大突破：新型Prime Editor的诞生

基因编辑技术，尤其是CRISPR系统，已经成为现代生物医学研究中不可或缺的工具。它允许科学家们以前所未有的精度对生物体的基因组进行修改。然而，尽管取得了巨大的进展，现有的基因编辑技术仍然存在一些挑战，特别是在编辑效率和减少非目标效应（如插入和缺失错误，即indel错误）方面。最近，麻省理工学院的研究团队在《Nature》上发表了一篇论文，介绍了一种新型的Prime Editor——vPE，它在减少基因编辑错误方面取得了显著的进展。

Prime Editor技术简介

Prime Editor是一种先进的CRISPR基因编辑工具，它通过将新的DNA序列写入到DNA的断裂末端来实现基因组的修改。这种编辑过程涉及到一个Cas9切口酶（Cas9n）与逆转录酶（RT）的融合，以及一个扩展的引导RNA（pegRNA），后者既包含了目标基因组序列也包含了预期的编辑序列。编辑过程开始于Prime Editor结合其基因组目标并形成一个单链DNA断裂（切口）。然后，切口的3'端释放出来，与pegRNA模板退火，启动逆转录酶将模板序列写入3'端的延伸中。最终，这个经过编辑的3'新链可以置换竞争的5'链，从而安装预期的编辑。

关键挑战与创新解决方案

尽管Prime Editor技术具有高度的灵活性和潜在的应用前景，但它在编辑效率和减少indel错误方面仍面临挑战。indel错误是在目标细胞的一部分中，代替预期编辑而产生的插入-缺失（indel）突变，这可能导致不可预测且可能有害的DNA序列变化。

在这项研究中，科学家们通过合理设计Cas9切口酶，重新定位Prime Editor的切口位置，发现竞争的5'链可以被不稳定化，从而有利于编辑后的3'新链。他们利用这一机制，设计出了具有显著低indel错误的高效Prime Editor。通过将这种错误抑制策略与最新的效率提升架构相结合，他们设计了下一代Prime Editor（vPE）。与之前的编辑器相比，vPE在效率相当的情况下，indel错误降低了高达60倍，使得编辑：indel比率高达361:1。

vPE的设计与优化

研究团队首先通过分析Cas9变体的5'端切除情况，确定了哪些Cas9突变能够重新定位切口并促进5'端的切除。他们发现，某些突变（如R780A、K848A、H982A等）能够显著增加5'端的切除，从而减少了indel错误的产生。基于这些发现，他们设计了一系列Prime Editor变体，并在HEK293T细胞中测试了这些变体的编辑效率和错误率。

在这些变体中，一个名为pPE（精确Prime Editor）的变体表现出了极低的indel错误率，与标准的PEmax编辑器相比，indel错误降低了36倍，编辑：indel比率提高了28倍。进一步的优化包括将这些突变与已知能够增强Cas9活性的突变相结合，最终设计出了名为xPE（额外精确Prime Editor）的变体，它在保持低错误率的同时，进一步提高了编辑效率。

最后，研究团队将xPE的Cas9n组件与一个最近报道的能够稳定pegRNA的Prime Editor架构（PE7）相结合，创造出了vPE（非常精确Prime Editor）。vPE在减少indel错误的同时，显著提高了编辑效率。与PE7相比，vPE在pegRNA-only编辑模式下，indel错误率降低了8.6倍，编辑：indel比率提高了8.2倍。在pegRNA+ngRNA编辑模式下，vPE的indel错误率降低了12.7倍，编辑：indel比率提高了9.4倍。

研究意义与未来展望

这项研究的关键发现是，通过重新定位Cas9诱导的切口，可以显著减少Prime Editor产生的indel错误。这种错误抑制机制与最新的效率提升架构相结合，使得vPE在多种基因组编辑应用中具有极高的精确性和效率。vPE的设计不仅简化了pegRNA的设计过程，还可能减少了对细胞状态操作、DNA修复过程调节或外源因子添加的需求。

vPE的开发为基因编辑技术的发展带来了新的希望，特别是在需要高精度和低错误率的应用中，如基因治疗、分子记录和基因驱动等领域。此外，这种通过改变DNA断裂结构来增强编辑和抑制错误的设计理念，可能为开发更先进的基因编辑工具提供了一个新的方向。随着进一步的研究和优化，vPE有望成为基因编辑领域的一个重要工具，推动生物医学研究和临床应用的发展。

vPE蛋白 P6258

Chauhan, V. P., Sharp, P. A. & Langer, R. Engineered prime editors with minimal genomic errors. Nature (2025) doi:10.1038/s41586-025-09537-3.