由东京大学的YutaroShuto、RyoyaNakagawa和OsamuNureki领导的联合研究确定了一种名为“primeeditor”的新型基因编辑工具的各个过程的空间结构。基于这些结构的功能分析还揭示了“primeeditor”如何实现逆转录，从RNA合成DNA，而无需“切断”双螺旋的两条链。

阐明这些分子机制对设计足够精确的基因编辑工具进行基因治疗有很大帮助。该研究结果发表在《自然》杂志上。

2020年诺贝尔化学奖授予了詹妮弗·杜德娜(JenniferDoudna)和埃马纽埃尔·沙彭蒂耶(EmmanuelleCharpentier)，以表彰她们开发了一种突破性但简单的方法来编辑DNA，即生物体的“蓝图”。虽然她们的发现为研究开辟了新的途径，但该方法的准确性和“切割”双链DNA的安全性问题限制了它在基因治疗中的应用。因此，人们一直在研究开发没有这些缺点的工具。

Prime编辑系统就是这样一种工具，它是一种由两个组件组成的分子复合体。其中一个组件是Prime编辑器，它结合了SpCas9蛋白(用于第一种CRISPR-Cas基因编辑技术)和逆转录酶(一种将RNA转录成DNA的酶)。

第二个组成部分是主要编辑向导RNA(pegRNA)，这是一种经过修饰的向导RNA，可识别DNA中的目标序列并编码所需的编辑。在这个复合物中，主要编辑器就像一个“文字处理器”，可以准确地替换基因组信息。该工具已成功应用于植物、斑马鱼和小鼠等生物的活细胞中。然而，这种分子复合物究竟如何执行编辑过程的每一步尚不清楚，主要是因为缺乏有关其空间结构的信息。

“我们很好奇，Cas9蛋白质和逆转录酶的非自然组合如何协同工作，”该论文的第一作者Shuto说。

研究团队使用了低温电子显微镜，这是一种可以在近原子尺度上进行观察的成像技术。该方法要求将样品置于玻璃冰中，以保护它们免受电子束的潜在损害，这带来了一些额外的挑战。

Shuto解释说：“我们发现在实验条件下，primeeditor复合物不稳定。因此，优化条件以使复合物保持稳定非常具有挑战性。很长一段时间以来，我们只能确定Cas9的结构。”

研究人员最终克服重重困难，成功确定了引物编辑复合物在靶DNA上逆转录过程中多种状态下的三维结构。

结构显示逆转录酶与RNA-DNA复合物结合，该复合物沿着Cas9蛋白与DNA切割(双螺旋单链分裂)相关的“部分”形成。在进行逆转录时，逆转录酶保持其相对于Cas9蛋白的位置。结构和生化分析还表明逆转录酶可能导致额外的、不受欢迎的插入。

这些发现为基础研究和应用研究开辟了新途径。因此，Shuto列出了接下来的步骤。

“我们在本研究中的结构确定策略也可以应用于由不同的Cas9蛋白和逆转录酶组成的引物编辑器。我们希望利用新获得的结构信息来开发改进的引物编辑器。”

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