引言
隨著生物技術的快速發展，基因編輯技術已成為現代生命科學研究的重要工具。從最初的限制酶切割到如今的CRISPR-Cas9系統，基因編輯技術的精確度和效率都有了質的飛躍。這些技術不僅在基礎科學研究中發揮著重要作用，而且在臨床醫學、農業生產、動物育種等領域展現出巨大的應用潛力。
Prime Editing技術是一種革命性的基因編輯新方法，由哈佛大學的David Liu團隊於2019年首次報道。該技術透過程式設計引導RNA（pegRNA）和逆轉錄酶的複合體直接在DNA上進行寫入，無需引入雙鏈斷裂（DSB），從而大幅度降低了基因編輯過程中可能出現的錯誤和副作用。Prime Editing技術因其高效、精確和廣泛的編輯能力而備受關注，被認為是迄今為止最為先進的基因編輯工具之一。
在Prime Editing技術的基礎上，PEmbryo技術應運而生，它透過在小鼠胚胎早期階段抑制DNA錯配修復（MMR）機制，實現了高效的基因編輯。這一創新不僅顯著提高了編輯效率，而且能夠在不影響胚胎髮育的前提下，減少不希望的區域性副產物，使得基因編輯更加安全、可靠。2024年2月6日NATURE BIOTECHNOLOGY（IF 46.9）報道了“Efficient prime editing in two-cell mouse embryos using PEmbryo”，PEmbryo技術的成功應用，為未來的遺傳疾病研究、基因治療以及動物模型構建等領域開闢了新的道路。
PEmbryo的原理與特點
PEmbryo原理
PEmbryo技術是基於Prime Editing技術發展而來的一種先進的基因編輯方法。它利用了一種被稱為程式化引導RNA（pegRNA）的分子，以及一種特殊設計的逆轉錄酶，直接在目標DNA上進行精確編輯，無需依賴DNA的雙鏈斷裂（DSB）。這一點與傳統的CRISPR-Cas9技術有著本質的不同。Pembryo技術透過在小鼠的兩細胞胚胎階段抑制DNA錯配修復（MMR）機制，從而實現對基因的高效率和高精確度編輯，極大地提高了基因編輯的成功率和安全性。
DNA錯配修復抑制的作用
DNA錯配修復（MMR）是細胞用來修復DNA複製過程中產生的錯誤的一種機制。然而，在基因編輯過程中，MMR機制可能會識別並修復掉編輯過程中產生的“錯誤”，從而降低編輯效率。PEmbryo技術透過暫時抑制MMR機制，減少了基因編輯過程中MMR介導的修復事件，使得編輯構建能夠更穩定地整合到目標基因中。這一策略顯著提升了編輯的效率和精確性，為基因編輯提供了更為可靠的技術支援。
PEmbryo與傳統基因編輯技術的比較
相比於傳統的基因編輯技術，如CRISPR-Cas9，PEmbryo技術在多個方面展現出其獨特的優勢。首先，PEmbryo技術不依賴於DNA的雙鏈斷裂，從而顯著降低了基因編輯過程中可能產生的脫靶效應和意外突變。其次，透過抑制MMR機制，PEmbryo技術能夠實現更高效率和更高精確度的基因編輯。此外，PEmbryo技術的靈活性和適用性更廣，能夠實現包括但不限於單鹼基替換、小片段插入或刪除在內的多種型別的基因編輯。這些特點使得PEmbryo技術在複雜基因編輯任務中，如精確模擬人類遺傳疾病模型，或是進行精細的基因功能研究等領域，展現出了巨大的應用潛力。
PEmbryo技術在小鼠胚胎中的應用
高效編輯小鼠胚胎
在PEmbryo技術的應用研究中，研究人員成功展示了該技術在小鼠胚胎中進行基因編輯的高效性。透過精確修改特定基因序列，研究團隊在小鼠胚胎中實現了目標基因的編輯，從而證明了PEmbryo技術在生物醫學研究中的巨大潛力。透過PEmbryo技術成功引入了針對遺傳性疾病的修正基因，這不僅展示了技術的高效性，同時也為未來遺傳病的治療提供了新的思路。
PEmbryo技術的編輯效率與準確性
PEmbryo技術的另一個顯著特點是其編輯效率與準確性。與傳統的CRISPR-Cas9技術相比，PEmbryo在減少脫靶效應和提高編輯精確度方面表現出色。PEmbryo技術能夠精確地定位並編輯目標基因，編輯效率常常超過50%，在某些情況下甚至達到了80%以上。這種高效率和高精確度的結合，為基因編輯領域帶來了新的可能性，尤其是在需要極高精度編輯的醫學研究和治療開發中。
同代表型鑑定在基因功能研究中的應用
PEmbryo技術不僅在基因疾病模型的構建上展現出巨大潛力，還在基因功能研究中發揮著重要作用。透過在單一代（同代）小鼠中快速準確地編輯基因，研究人員可以直接觀察基因編輯對生物體表型的影響，從而在沒有長時間繁殖過程的情況下，快速驗證基因功能假說。這種方法極大地加速了基因功能的研究程序，為解碼複雜的生物學問題提供了強有力的工具。
使用PEmbryo技術允許對小鼠進行同一代表型鑑定（Credit: NATURE BIOTECHNOLOGY）
PEmbryo技術的潛在應用與前景
疾病模型構建中的應用潛力
PEmbryo技術在疾病模型構建中展現出巨大的應用潛力。透過精確編輯小鼠胚胎基因，科研人員能夠模擬人類遺傳疾病在動物模型中的表現，為疾病機理研究及新藥開發提供了強有力的工具。相較於傳統方法，PEmbryo技術能夠在更短的時間內，更精確地構建出具有特定基因突變的疾病模型，大幅提高研究效率與準確性。這對於罕見病、遺傳性疾病的研究意義重大，為未來的醫學研究開闢了新的道路。
基因治療領域的應用前景
隨著精準醫療的快速發展，PEmbryo技術在基因治療領域的應用前景備受期待。該技術能夠在細胞層面上進行精確的基因修復或替換，為遺傳性疾病的根治提供了可能。例如，透過PEmbryo技術，科研人員可以精確修正導致遺傳性疾病的基因突變，恢復其正常功能。這種高精度的基因編輯能力，為治療諸如血友病、囊性纖維化等遺傳性疾病提供了新的策略，預示著基因治療領域的重大突破。
未來挑戰與發展方向
雖然PEmbryo技術展現出極大的應用潛力和前景，但在其廣泛應用前仍面臨一系列挑戰。首先，技術的安全性和穩定性需要進一步驗證，確保編輯過程中不會引入意外的基因變異或對生物體產生不利影響。其次，技術的適用範圍和效率在不同物種、不同基因中的差異性需要深入研究。未來的發展方向將聚焦於提高編輯效率、降低脫靶率，以及擴充套件PEmbryo技術在不同生物體中的應用。此外，隨著倫理、法律等方面問題的出現，科研人員還需在保證科研創新的同時，確保技術應用的倫理性和合法性。
未來，基因編輯技術的發展將繼續朝著提高效率、精確度和安全性的方向前進。PEmbryo技術的進一步最佳化和創新，將使得基因編輯更加靈活和廣泛地應用於生物醫學研究、疾病治療、農業改良等多個領域。隨著編輯工具的不斷完善和應用領域的擴充套件，預期將出現更多針對複雜疾病的基因治療策略，以及更加精準的遺傳疾病模型。同時，伴隨技術發展的倫理、法律和社會問題也需要得到廣泛討論和妥善解決，確保基因編輯技術的健康和可持續發展。
FAQs
PEmbryo技術與CRISPR-Cas9技術有何不同？
PEmbryo技術與CRISPR-Cas9技術最主要的區別在於其編輯機制和精確度。CRISPR-Cas9技術透過引導RNA定位到目標DNA序列，並利用Cas9蛋白產生雙鏈斷裂（DSB），依賴細胞自身的DNA修復機制來實現基因的編輯。而PEmbryo技術，基於Prime Editing技術，透過引導RNA（pegRNA）和逆轉錄酶直接在DNA上進行寫入，無需DSB，從而減少了細胞修復過程中可能產生的錯誤，提高了基因編輯的精確度。
PEmbryo技術在實際應用中需要注意哪些問題？
在實際應用中，PEmbryo技術需要特別注意以下幾個問題：
編輯效率和特異性：儘管PEmbryo技術提高了編輯精度，但其編輯效率和特異性仍需透過實驗最佳化。
脫靶效應：雖然PEmbryo技術減少了DSB，降低了脫靶的風險，但仍需透過嚴格的脫靶分析確保編輯的安全性。
技術操作的複雜性：PEmbryo技術相較於CRISPR-Cas9技術，在設計和實施上更為複雜，需要高水平的技術知識和實驗操作技能。
PEmbryo技術在其他物種中的應用潛力如何？
PEmbryo技術雖然首先在小鼠胚胎中得到應用和驗證，但其潛在的應用範圍遠不止於此。該技術因其高精度和低脫靶風險的特點，有望被廣泛應用於其他哺乳動物乃至人類的基因編輯中。對於農業領域，PEmbryo技術可以用於精確改良作物或畜牧動物的遺傳性狀。在醫學研究和治療方面，該技術的精確編輯能力為遺傳性疾病的治療提供了新的可能，特別是在精準醫療和個體化治療方面展現出巨大的應用前景。此外，PEmbryo技術也有潛力用於保護瀕危物種，透過基因修復來增強其生存能力。總之，PEmbryo技術的應用前景非常廣泛，隨著研究的深入和技術的進步，其在多個領域的應用潛力將逐漸顯現。
Kim-Yip RP, McNulty R, Joyce B, et al. Efficient prime editing in two-cell mouse embryos using PEmbryo. Nat Biotechnol. Published online February 6, 2024. doi:10.1038/s41587-023-02106-x
https://www.nature.com/articles/s41587-023-02106-x
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