Nat.Commun.|胡家志课题组与合作者利用Cas9TX在年龄性黄斑病变小鼠模型中成功实现高效安全的基因编辑

CRISPR-Cas9是目前领域内最为常用的基因编辑工具，在基础科研领域以及临床应用上都有着广阔的使用前景。然而Cas9在完成靶向位点突变的同时，还会在脱靶位点进行切割，并会造成染色体易位和染色体大片段缺失等染色体结构异常副产物。除此之外，在以腺相关病毒（Adeno-associated virus，AAV）为递送载体的体内基因编辑治疗中，存在着AAV片段高频插入的现象。这些基因编辑中的副产物严重威胁了基因组的稳定性，可能会导致细胞的癌化，为基因编辑的治疗结果带来不确定性。通过抑制Cas9反复切割靶向位点的完美修复产物，胡家志课题组近期发表的Cas9TX可以在CAR- T的改造过程中大幅度降低染色体易位的发生频率（胡家志课题组开发目前最安全的Cas9基因编辑工具变体Cas9TX），但在与临床应用更为密切相关的体内基因编辑场景中，Cas9TX能否有效降低这些副产物的产生仍需要进一步印证。

2022年12月22日，北京大学、北大-清华生命科学联合中心胡家志课题组与上海中科院神经所杨辉课题组在Nature Communications上共同发表了题目为Safeguarding genome integrity during gene-editing therapy in a mouse model of age-related macular degeneration的研究论文。在年龄相关性黄斑病变（age-related macular degeneration, AMD)的体内基因编辑治疗模型中，该工作首次定量揭示了CRISPR-Cas9在体内基因编辑过程中染色体易位和腺相关病毒片段插入的发生模式与发生频率，并通过利用该课题组之前开发的Cas9TX变体大幅度减少了这些副产物在体内基因编辑过程中的产生，为CRISPR-Cas9的临床应用提供了重要的指导意义。

年龄性黄斑病变是世界范围内导致老年人失明的主要原因之一。其中湿性黄斑病变主要是视网膜后的异常血管增生所导致的。目前以注射拮抗调控血管生成的VEGFA蛋白的小分子或抗体为治疗该疾病的主流手段，但反复注射不但不能保证治疗效率也会对眼部造成局部并发症。近期以CRISPR-Cas9为主的基因编辑技术为治疗该疾病带来了曙光，通过激光照射小鼠眼部造成新生血管入侵视网膜来模拟黄斑病变，研究者们进一步通过Cas9靶向Vegfa，从而一劳永逸地消除新生血管的产生，为治疗该疾病提供了临床的可操作性。

利用该课题组开发的全面评估基因编辑工具安全性的高通量测序方法PEM-seq，该工作首先在以双AAV载体包装系统为递送载体的小鼠眼部脉络膜增生编辑模型中（靶向Vegfa位点），发现了体内基因编辑过程中靶向位点和脱靶位点之间，靶向位点和基因组自发产生的DNA双链断裂之间仍然会形成染色体易位（频率接近1%）（图一a）。与此同时，该研究也发现靶向位点上存在着频率高至40%的AAV片段整合（图一b）。更为重要的是，这些副产物在基因编辑后可以在体内稳定存在12周之久，引发了研究者对于这些副产物的担忧（Nucleic Acids Research | 胡家志课题组与合作者追问在体基因编辑的安全性）。

随后该工作利用双AAV载体递送Cas9TX靶向小鼠眼部的Vegfa，结果表明Cas9TX不仅能够提高靶向位点的编辑效率，完成对小鼠脉络膜增生模型的治疗，而且还能大幅度消除靶向位点上所产生的染色体易位（图一c），值得一提的是Cas9TX并没有在脱靶位点造成更高的编辑效率。更为重要的是，该工作发现了Cas9TX也可以有效降低AAV片段在靶向位点的整合（图一d），据悉这是领域内首个可以减少AAV片段在基因编辑过程中插入的基因编辑工具，对临床上的应用具有重要的意义。总体而言，该工作不仅表明了Cas9TX可以成功兼容双AAV递送系统用于体内基因编辑，大幅低降低基因编辑过程中的副产物，也说明了DNA损伤修复在体外与体内的相对保守性，以此为出发点进行基因编辑安全性优化的可行性。

图一. a. PEM-seq检测在小鼠眼部Vegfa位点Cas9编辑后染色体易位的发生频率。b. PEM-seq检测在小鼠眼部Vegfa位点Cas9编辑后AAV片段插入的频率。c. Cas9TX大幅度降低染色体易位产生的比例。d. Cas9TX大幅度降低AAV片段插入的比例。

实验室主页：

https://hulab.pku.edu.cn/

实验室长期招收对生物信息学和免疫基因组学和感兴趣的研究生和博士后。

研究领域：

有颌脊椎动物的免疫系统可以有效地抵御病原体的入侵并清除自身的异常细胞，包括癌细胞。其中，适应性免疫系统的淋巴细胞可以产生多样性的抗原受体而特异性识别病原体和异常细胞。淋巴细胞受体包括B细胞受体和T细胞受体，前者的分泌形式即抗体。淋巴细胞介导的获得性免疫在疾病治疗方面具有巨大的应用价值，如单克隆抗体相关药物在肿瘤治疗方面取得了显著成效。本课题组的研究方向集中在免疫基因组学与人类疾病。我们开发了一系列基因组学测序方法用于免疫学方向的研究，可以用于基因编辑工具（以基于细菌免疫系统的CRISPR/Cas为主）的评估、基因组稳定性的检测以及抗体和T细胞受体的测序。我们的研究方向主要集中在：

1. 基因编辑工具的安全性评估及改进

2. 淋巴细胞的复制与转录及其基因组稳定性维持机制

3. 抗体的发育成果过程的系统研究和工程化改造。