在一项新的研究中，来自英国布里斯托大学和瑞典卡罗琳学院的研究人员成功地利用一种可能引发治疗变革的DNA修复工具在患者的肾细胞中修复了导致一种影响儿童和年轻人的衰弱的遗传性肾脏疾病的基因突变。相关研究结果发表在2022年7月22日的Nucleic Acids Research期刊上，论文标题为“Highly efficient CRISPR-mediated large DNA docking and multiplexed prime editing using a single baculovirus”。
在这项新的研究中，这些作者描述了他们如何构建一种DNA修复工具来修复Podocin缺陷，这是遗传性类固醇抵抗性肾病综合征（Steroid Resistant Nephrotic Syndrome, SRNS）的一个常见的遗传原因。
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Podocin是一种通常位于特定肾细胞表面的蛋白，对肾脏功能至关重要。然而，存在缺陷的Podocin仍然停留在细胞内，从未到达细胞表面，最终损害了足细胞（podocyte）。由于该疾病无法用药物治愈，用来修复导致Podocin缺陷的基因突变的基因疗法为患者带来了希望。
通常情况下，人类病毒已被用于基因治疗，以进行基因修复。这些病毒被用作“特洛伊木马”，进入携带基因突变的细胞。目前占主导地位的系统包括慢病毒（LV）、腺病毒（AV）和腺相关病毒（AAV），它们都是相对无害的病毒，很容易感染人类。然而，这些病毒都有相同的局限性，即它们的病毒外壳内的空间受到限制。这反过来又限制了它们能够递送的货物容量，即高效基因修复所需的DNA序列，这大大限制了它们在基因治疗中的应用范围。
通过应用合成生物学技术，由来自布里斯托大学生物化学学院的Francesco Aulicino博士和Imre Berger教授领导的研究团队重新设计了杆状病毒（baculovirus），该病毒是一种对人类无害的昆虫病毒，不再受到有限的货物容量的限制。
Aulicino博士说，“杆状病毒与LV、AV和AAV的不同之处在于它缺乏包裹货物空间的刚性外壳。”杆状病毒的外壳类似于一个空心棒，它只是在货物增加时变得更长。这意味着杆状病毒可以提供更复杂的工具包来修复基因缺陷，使得它比常用的系统更具有通用性。
首先，杆状病毒必须具备进入人体细胞的能力，而它通常不会这样做。Aulicino博士解释说，“我们用蛋白装饰杆状病毒，使其能够非常有效地进入人类细胞。”这种经过修饰的杆状病毒被认为是安全的，因为它只能在昆虫中增殖，而不能在人类细胞中增殖。然后，这些作者利用他们的工程化杆状病毒来递送比以前大得多的DNA片段，并将这些片段整合到一系列人类细胞的基因组中。
人类基因组中的DNA包括30亿个碱基对，构成了约25000个基因，这些基因编码了对细胞功能至关重要的蛋白。如果我们的基因中出现错误的碱基对，就会产生错误的蛋白，从而使我们生病，导致遗传性疾病。基因疗法通过校正我们基因组中的这类错误，有望从根本上修复遗传性疾病。基因编辑方法，特别是基于CRISPR/Cas的方法，通过实现精确到碱基对的基因修复，大大推动了这一领域的发展。
这些作者使用携带基因组中致病错误的患者源性足细胞来展示他们的技术的适用性。通过构建一种DNA修复工具，包括基于蛋白的分子剪刀和指导它们的核酸分子以及替换缺陷基因的DNA序列，他们利用一种工程化的杆状病毒递送一个健康的Podocin基因拷贝，同时精确到碱基对地利用CRISPR/Cas将它插入到基因组中。这能够逆转致病表型，并恢复podocin到足细胞的表面上。
MultiMate能够快速组装多功能的DNA回路，以便杆状病毒高效地在人类细胞中递送。图片来自Nucleic Acids Research, 2022, doi:10.1093/nar/gkac587。
Berger教授解释说，“我们以前曾使用杆状病毒感染体外培养的昆虫细胞来生产重组蛋白，以研究它们的结构和功能。”这种称为MultiBac的方法，由Berger实验室开发，在全世界的实验室中，已经非常成功地制造了非常大的具有多个亚基的多蛋白复合物。“MultiBac已经利用了杆状病毒外壳的灵活性，将较大的DNA片段递送到体外培养的昆虫细胞中，指示它们组装我们感兴趣的蛋白。”当他们意识到同样的特性有可能改变针对人类细胞的基因疗法时，他们就开始努力构建这项新研究中描述的新系统。
Aulicino博士补充说，“有许多途径可以利用我们的系统。除了podocin修复，我们可以证实通过使用我们的杆状病毒递送系统和现有的最新编辑技术，我们可以同时有效地校正基因组不同位点上的许多错误。”
论文共同作者、布里斯托大学的Moin Saleem教授说，“SRNS是影响肾脏的较常见的遗传性疾病之一。SRNS的特点是在早期就出现肾衰竭，导致受影响者的生活质量严重下降。”
论文共同作者、布里斯托大学的Gavin Welsh教授总结说，“这些结果是非常令人鼓舞的。Berger团队开创的这种新方法不仅对治疗SRNS有希望，而且对治疗一系列其他的肾脏遗传疾病也有希望，在这些疾病中，有效的基因修复在目前的技术中是不可行的。将新的载体系统用于临床应用是一条漫长的道路，但我们相信它所提供的优势使这是一项非常值得的研究工作。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Francesco Aulicino et al. Highly efficient CRISPR-mediated large DNA docking and multiplexed prime editing using a single baculovirus. Nucleic Acids Research, 2022, doi:10.1093/nar/gkac587.
