David Liu 团队 Nature 新作：基因编辑如何让细胞“忽略错误”？

【文献解读】David Liu 团队 Nature 新作：基因编辑如何让细胞“忽略错误”？

今年11月19日，基因编辑领域又迎来一项备受关注的突破。David Liu 团队在Nature发表最新研究，提出了一个新的基因编辑策略——PERT（Prime Editing-mediated Readthrough of Premature Termination Codons），为由无义突变引起的多种遗传病提供了一种可能的“统一治疗”方法。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09732-2

在传统基因治疗模式中，每种突变通常需要设计一套独立的编辑方案。这不仅成本高、周期长，也让罕见病患者难以受益。PERT 的目标就是打破这一限制。

无义突变及其挑战

无义突变（Nonsense Mutation）会把本应编码氨基酸的密码子变成终止密码子，从而导致蛋白质“提前结束”。这一类突变占ClinVar数据库（NCBI收录已知致病基因变异及其科学证据的数据库）所有致病突变的约 24%，但散布在许多不同基因中，因此难以用一种工具统一解决。

PERT的核心原理

要理解 PERT，先从细胞“造蛋白”的方式说起：mRNA 就像蛋白质的“说明书”，而 tRNA 是搬运氨基酸的小帮手，把说明书上的指令变成完整蛋白。说明书里有三个特定的“停止信号”——UAA、UAG 和 UGA，当 tRNA 读到这些密码子时，蛋白就停止合成。无义突变的问题在于这些停止信号出现在说明书中间，导致蛋白质提前“收工”，无法正常发挥作用。

研究团队设计出一种“抑制性 tRNA”，当遇到错误的终止信号时，它不会停下来，而是继续加上一个氨基酸，让蛋白质顺利延续下去。随后，利用 prime editing 将这种 tRNA 稳定地植入细胞基因组，使细胞长期表达这种“会忽略错误”的 tRNA。

图1 Prime editing将内源性tRNAs转换为抑制性tRNAs（sup-tRNAs）的策略

PERT的核心想法并不是“修复突变”，而是让细胞在遇到无义突变时能够继续正常合成蛋白质。既然各个疾病的共同问题是“错误终止信号”，那就直接让细胞忽略这个错误。

为什么 PERT 可以跨多种疾病？

虽然不同疾病涉及的基因各不相同，但它们有一个共同问题：都出现了无义突变，也就是蛋白质合成被提前中断。PERT 正是针对这个“共性问题”，所以理论上，只要是这种类型的突变，都可以用同一种方法处理，让蛋白质顺利合成。

为了寻找最优 sup-tRNA 变体，研究团队对 tRNA 基因进行饱和突变，评估多种可被 Prime Editing 访问的变异组合。通过构建不同抗反应区域突变组合，团队筛选出多种具有高 readthrough 效率的工程化 sup-tRNA，蛋白产量相对野生型可达 35%以上，为不同无义突变提供基础工具。

图2 确定可通过 prime editing 实现的 sup-tRNA 突变组合

PERT 的优化与细胞验证

为了进一步优化 Prime Editing 系统，研究团队设计了多种 Prime Editors和 epegRNA 架构，并在不同 PBS（primer binding site，起始结合区）和 RTT（reverse transcription template，逆转录模板）长度组合下测试了编辑效率，同时评估了 MLH1dn（MutL homolog 1 dominant negative，DNA 修复抑制蛋白）存在与否对编辑结果的影响。通过这种系统化优化实现高效的 sup-tRNA 安装，为后续在疾病模型中的功能验证奠定了基础。

图3 工程化 sup-tRNA 安装的 prime editing 策略优化

安装 sup-tRNA 后，蛋白或酶活恢复 17%–70%，部分 NPC1 模型的全长蛋白表达也得到部分恢复。大部分 mRNA 在无义突变位置得以稳定，说明 PERT 能够有效克服NMD （Nonsense-Mediated Decay，无义突变介导的 mRNA 降解）对转录本的影响。

为了检验 PERT 的实际效果，研究团队在几种由无义突变引起的遗传病细胞模型中进行了测试，其中包括 Batten 病、Tay-Sachs 病和 Niemann-Pick C1 型病。在六个 HEK293T 疾病模型中安装工程化 sup-tRNA 后，编辑效率达到 56–84%，最终能够恢复 TPP1、HEXA、NPC1 蛋白或酶活，并达到甚至有超过已知的治疗阈值。

图4 Prime Editing 安装的 sup-tRNA 可在多种疾病背景下恢复蛋白表达

PERT 的动物模型验证

在 in vivo 实验中，团队使用 AAV9将 Prime Editing 系统和 sup-tRNA 引入新生小鼠脑内。通过 GFP 报告系统评估 readthrough 效率，接受编辑的细胞中 GFP 蛋白相对产量达到 24%–26%，证明安装的 sup-tRNA 在动物体内可以生成功能性蛋白。

随后，在 Hurler 综合征（MPS-I，小鼠 IduaW392X 模型）实验中，PERT 在受损组织中恢复约 6% 的 IDUA（α-L-iduronidase，溶酶体酶）酶活，病理表现几乎消失。脑、肝、脾及心脏组织的病理分析显示，未处理小鼠的泡沫细胞累积、Purkinje 细胞空泡化及 GAG（glycosaminoglycan，糖胺聚糖）沉积在 PERT 处理组中得到明显改善或消失，表明部分蛋白功能恢复即可带来显著治疗效果。

图5 Prime Editing 生成功能性 sup-tRNA，恢复动物疾病模型

总的来看，PERT 通过将内源性 tRNA 基因转化为 sup-tRNA，实现了一套编辑策略覆盖多种无义突变相关疾病，结合 prime editing 的一次性持久性，展现出跨疾病、潜在“一次治疗，多病受益”的优势。细胞和动物模型实验均显示 PERT 可恢复功能性蛋白或酶活，同时未发现明显毒性或脱靶效应，为将来临床应用奠定了基础。

未来，PERT可与组织特异性病毒或纳米颗粒载体结合，实现针对不同器官的精准治疗，或与小分子药物联合，提高 readthrough 效率，为更多遗传病患者提供新的治疗希望。

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