基因编辑系统Prime Editing的工作原理

2019年10月21日，哈佛大学Broad研究所刘如谦（David R. Liu）教授团队在Nature上发表“Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA”的研究论文，开发了一种全新的精准基因编辑工具——prime editing。

Prime editing不会产生DNA双链断裂，不需要供体DNA。

Prime editing需要设计一种特殊的gRNA，也就是pegRNA。与普通的gRNA不同，这种pegRNA不但能够结合想要进行编辑的特定DNA区域，还自带“修改模板”。Cas9-逆转录酶融合蛋白会在pegRNA的引导下，精准地切开一条DNA链，然后根据“修改模板”，合成含有正确序列的DNA。细胞内的DNA修复机制会自动把这段新合成的序列整合进基因组。

Prime editing系统由两部分构成：

其一是nCas9 (H840A)与工程化改造的逆转录酶（Reverse Transcriptase, RT）融合构成的效应蛋白；其二是pegRNA（Prime Editing Guide RNA），包括了single-guide RNA（sgRNA）、引物结合位点（Prime Binding Site，PBS）和储存有靶向位点编辑信息的反转录模板（RT templet with edit）。

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基本工作原理为：

首先是在pegRNA的引导下，nCas9 (H840A)切口酶切断含PAM的靶点DNA链，断裂的靶DNA链与pegRNA的3'末端PBS序列互补并结合，之后逆转录酶发挥功能，沿RT模板序列开始逆转录反应。反应结束后DNA链的切口处会形成处在动态平衡中的5'-和3'-flap结构，其中3'-flap的DNA链携带有目标突变，而5'-flap结构的DNA链则无任何突变。细胞内5'-flap结构易被结构特异性内切酶识别并切除，之后经DNA连接和修复后靶位点处便实现了精准的基因编辑。（流程图如下）