余小飛

Tessera Therapeutics 正在開發(fā)一種新的基因編輯器，能夠精確地插入長段DNA，這是CRISPR 做不到的

從1963 年美國分子生物學(xué)家、諾貝爾生理學(xué)/醫(yī)學(xué)獎獲得者喬舒亞·萊德伯格第一次提出“基因交換” 和“基因優(yōu)化”概念開始，科學(xué)界和醫(yī)學(xué)界對通過改變基因來治療疾病的研究越來越深入。經(jīng)過長達(dá)50多年的研究，基因治療已經(jīng)從實驗室研究走向了臨床應(yīng)用，以 CRISPR 技術(shù)為基礎(chǔ)，CRISPR Therapeutics、Editas Medicine、Intellia Therapeutics 這“三巨頭”也應(yīng)運而生，分別開始了治療疾病的探索之路。

最近，一個叫做 Tessera Therapeutics（以下簡稱“Tessera”）的公司和其研發(fā)的 Gene Writing（以下簡稱“基因書寫”）技術(shù)引起了生輝的注意。與 CRISPR 技術(shù)改變少量堿基或切斷 DNA 雙鏈不同，基因書寫技術(shù)可在不切斷 DNA 雙鏈的情況下將長段 DNA 序列精準(zhǔn)插入基因組中，可改變基因的范圍更廣。

Tessera 公司由著名生物醫(yī)療風(fēng)投機(jī)構(gòu) Flagship Pioneering 于 2018 年創(chuàng)立。今年 7 月，該公司退出了 “隱身模式”，宣布獲得 5000 萬美元初始融資，正式走進(jìn)大眾視野。在宣布“出道” 之時，外媒形容 Tessera 所研發(fā)的 Gene Writing 技術(shù)“能做很多 CRISPR 能做的事情，也能做 CRISPR 做不到的事，比如精準(zhǔn)地插入長段 DNA?！?/p>

Flagship Pioneering 高級顧問杰森·旁汀對生輝說：“Tessera 的 Gene Writing 技術(shù)平臺，代表了現(xiàn)有基因編輯技術(shù)（包括詹妮弗·杜德納和張鋒的 CRISPR 技術(shù)，以及哈佛大學(xué)的劉大衛(wèi)的先導(dǎo)編輯）的根本性進(jìn)步，Gene Writing 技術(shù)讓研究人員可以將整個基因片段‘寫到基因組中，而不是剪斷 DNA 雙鏈或是編輯 DNA 的單個堿基?！?/p>

生輝聯(lián)系到了 Tessera 公司，并進(jìn)行了專訪。

超級團(tuán)隊

Tessera 的 CEO、聯(lián)合創(chuàng)始人兼董事杰弗里·馮·馬爾扎恩 博士是 Flagship Pioneering 的 GP（General Partner），是麻省理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程和醫(yī)學(xué)物理學(xué)博士出身。此前，他和其他科學(xué)家創(chuàng)立了多家生物技術(shù)公司，包括細(xì)胞治療初創(chuàng)公司 Sana Biotechnology、微生物農(nóng)作物初創(chuàng)公司 Indigo Agriculture、微生物代謝療法新銳 Kaleido Biosciences、AI 生物技術(shù)公司 Generate Biomedicines 等。他本人擁有超過 200 項專利及應(yīng)用。

該公司還有強(qiáng)大的“科學(xué)顧問團(tuán)”。其科學(xué)顧問委員會主席是 Moderna 的首席科學(xué)官梅麗莎·摩爾，委員會成員包括：美國哈佛大學(xué)合成生物學(xué)先驅(qū) 喬治·丘奇、意大利基因治療領(lǐng)域?qū)＜衣芬准ぜ{爾迪尼、加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)和生物分子工程學(xué)教授大衛(wèi)·謝弗 等，多位在基因療法和基因編輯領(lǐng)域有幾十年研究經(jīng)驗的學(xué)者。

再來看看 Tessera 的管理團(tuán)隊：其首席創(chuàng)新官雅各布·魯本斯不僅是 Flagship Pioneering 的合伙人，還是 Sana Biotechnology 公司聯(lián)合創(chuàng)始人。其副總裁塞西莉亞從事基因編輯、細(xì)胞工程和 DNA 損傷領(lǐng)域研究 20 多年，是張鋒所創(chuàng)辦的 Editas Medicine 公司最早雇傭的科學(xué)家之一。

Tessera Therapeutics CEO、聯(lián)合創(chuàng)始人兼董事杰弗里·馮·馬爾扎恩

“在過去的20年中，遺傳醫(yī)學(xué)取得了長足進(jìn)步。盡管對許多以前無法治愈的疾病具有治療前景，但現(xiàn)有基因治療和基因編輯技術(shù)還具有明顯的缺陷，為患者提供的價值有限?！瘪R爾扎恩博士說。“所以在過去兩年中我們一直致力于開發(fā)一種新的技術(shù)——Gene Writing，旨在為科學(xué)家和醫(yī)生提供可將長段或短段 DNA 序列精準(zhǔn)插入體細(xì)胞基因組的工具，從而從源頭上治愈疾病。”

什么是“基因書寫”

馬爾扎恩博士介紹了基因書寫技術(shù)的原理：“Gene Writing 技術(shù)的靈感來自于可移動遺傳元件（mobile genetic elements，MGE），它是進(jìn)化論中最偉大的基因組‘架構(gòu)師。自從 20 世紀(jì) 50 年代 Barbara McClintock 在玉米上發(fā)現(xiàn)第一個可移動遺傳元件開始，人們就知道它在生物學(xué)中扮演著重要的角色。”

可移動遺傳元件是指一類能在基因組內(nèi)移動的 DNA，包括：轉(zhuǎn)座子、噬菌體元件等。其中，轉(zhuǎn)座子是 Tessera 的主要研究對象之一。一段 DNA 序列從原位上單獨復(fù)制或斷裂下來，環(huán)化后插入另一位點，并對其后的基因起調(diào)控作用，此過程稱為轉(zhuǎn)座。這段 DNA 序列則被稱為轉(zhuǎn)座子或跳躍基因。目前 Tessera 公司的科學(xué)家已經(jīng)確定了大約 6000 個逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（Tessera 稱之為基于 RNA 的基因書寫）和 2000 個具有潛力的轉(zhuǎn)座子（基于 DNA 的基因書寫）。

我們可以將人類的基因組看成一列 “火車”，把基因組上的 DNA 片段看成一節(jié)“車廂”。大多數(shù)“車廂” 在整列 “火車” 上的位置、順序是不變，而轉(zhuǎn)座子卻是可以移動自己位置的 “車廂”，例如從 2 號“車廂” 位置移動到 8 號 “車廂” 位置。在移動位置的過程中，轉(zhuǎn)座子可以通過 “剪切 - 粘貼” 或者 “復(fù)制 - 粘貼” 將原有 “車廂” 插入到新的位置，或者原有 “車廂” 不動而將復(fù)制后的 “車廂” 插入到新的位置上。轉(zhuǎn)座子的兩端有定義其邊界的特殊 DNA 序列，介于中間的是制造蛋白質(zhì)的基因，可以將其切除，“騰出”空間加入新的基因片段。

基因書寫技術(shù)正是利用了轉(zhuǎn)座子可以攜帶目的基因并插入基因組的原理，對轉(zhuǎn)座子進(jìn)行改造，從而實現(xiàn)將長段基因插入基因組的效果。根據(jù)Tessera的介紹我們可以知道，通過利用可移動遺傳元件的生物學(xué)特性，基因書寫技術(shù)具有以下四大潛力可克服目前遺傳醫(yī)學(xué)所面臨的“困境”：

1.與基于核酸酶的基因編輯技術(shù)不同，基因書寫技術(shù)對于宿主 DNA 修復(fù)途徑的依賴很小，所以能夠有效地在體細(xì)胞基因組中加入長斷或小片段基因序列。

2.與基于腺相關(guān)病毒 （AAV） 載體的基因治療技術(shù)不同，新加入的 DNA 片段可永久性地存在于分裂細(xì)胞中。

3.可通過遞送 RNA 將新的 DNA 序列插入基因組中。

4.可對患者進(jìn)行多次給藥，重復(fù)治療，這是目前基因療法還無法實現(xiàn)的治療方式。

那基因書寫技術(shù)在基因治療中的難點是什么？基于 RNA 的基因書寫和基于 DNA 的基因書寫在治療疾病方面有何不同？基因書寫技術(shù)目前的進(jìn)展如何？針對這些問題，下面與 Tessera 進(jìn)行了進(jìn)一步探討。

問：如何看待 CRISPR 技術(shù)？基因書寫技術(shù)與 CRISPR 技術(shù)相比有什么優(yōu)勢？

Tessera：CRISPR 技術(shù)是一項令人驚嘆的技術(shù)，可對基因組進(jìn)行編輯。然而， CRISPR 技術(shù)通常依賴宿主細(xì)胞的 DNA 損傷修復(fù)途徑來對基因組進(jìn)行修改，但這些 DNA 損傷修復(fù)途徑的進(jìn)化會限制基因組的改變，使得 CRISPR 技術(shù)在對基因組做出預(yù)期改變時效率低下，比如插入一大段 DNA。此外，CRISPR 技術(shù)在基因編輯過程中會造成 DNA 雙鏈斷裂，所以它并不是將外源基因插入基因組的理想工具。

相比之下，Gene Writing 技術(shù)可以將一大段外源基因插入基因組中，而很少依賴宿主修復(fù)途徑。這使得它成為一種更有效地將治療信息“寫”入基因組的技術(shù)。

問：我們發(fā)現(xiàn)張鋒團(tuán)隊在 2019 年開發(fā)了 CRISPR 相關(guān)轉(zhuǎn)座酶（CAST）技術(shù)。如何看待這項技術(shù)，它與基因書寫技術(shù)有何不同？

Tessera：針對 CRISPR 的可移動遺傳元件研究是一個令人興奮的領(lǐng)域。2017 年，Joseph E. Peters 和 Eugene V. Koonin 團(tuán)隊首次對其進(jìn)行描述，后來，張鋒和 Sam Sternber 團(tuán)隊證明了它們在細(xì)菌細(xì)胞中的作用。這些系統(tǒng)非?？幔枰鄠€組件才能起作用，這限制了它們的治療適用性。我們一直在與 Joseph E. Peters 合作以發(fā)現(xiàn)新的具有基因“書寫”潛力的可移動遺傳元件，不像已發(fā)表的 CRISPR 相關(guān)轉(zhuǎn)座酶（CAST）系統(tǒng)那樣需要那么多的蛋白質(zhì)組件。

問：基于可移動遺傳元件的基因書寫技術(shù)在基因治療中的主要技術(shù)難點是什么？如何將該工具準(zhǔn)確地遞送到特定位點？

Tessera：現(xiàn)在我們認(rèn)識到，可移動遺傳元件是自然界中最普遍的基因，約占我們基因組的 50%。然而，大多數(shù)可移動遺傳元件基因在基因組上并不活躍或活性較低?？紤]到 DNA 序列的長度和可能不活躍基因的數(shù)量，選擇切入位點是一個復(fù)雜的計算過程，這是很大的挑戰(zhàn)。

我們并沒有被自然界中可移動遺傳元件的多樣性嚇倒，而是探索這種多樣性，期待為遺傳醫(yī)學(xué)中的多個關(guān)鍵問題找到解決方案。我們建立了一個計算管道來識別、分析和預(yù)測哪些可移動遺傳元件將在人類基因組上高度活躍。然后合成 DNA，將其遞送到細(xì)胞中，并通過高通量測序來衡量該可移動遺傳元件的基因“書寫”活性。通過計算生物學(xué)，我們已經(jīng)鑒定出 8000 多個候選可移動遺傳元件，通過評估和系統(tǒng)地篩選，這些元件可能成為在基因組中插入不同長度基因的“寫作者”。

問：基因書寫技術(shù)的穩(wěn)定性如何？由可移動遺傳元件插入的基因是否會在基因組中出現(xiàn)移動的情況？

Tessera：我們不會把會移動的基因元素引入基因組中。相反，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)自然界中用來結(jié)合可移動遺傳元件的識別元素了。了解這些以后，我們就可以設(shè)計出從可移動遺傳元件到“書寫”基因組序列的工具，而沒有 “跳躍”或運動的風(fēng)險。

基于RNA 的基因書寫修改基因組的過程

基于DNA 的基因書寫修改基因組的過程

問：基于 RNA 的基因書寫和基于 DNA 的基因書寫在疾病治療中有什么區(qū)別？

Tessera：基于 RNA 的 Gene Writing 是利用 RNA 模版將治療信息“寫”入基因組。其優(yōu)勢在于可用脂質(zhì)納米顆粒（LNP）進(jìn)行遞送，就像傳遞 mRNA 和 RNAi 治療劑一樣。由于 LNP 沒有免疫原性，所以可能可以對患者進(jìn)行多次給藥，直到他們表達(dá)足夠治療的蛋白質(zhì)含量。

基于 DNA 的 Gene Writing 是以 DNA 作為模版將治療信息“寫”入基因組中。基于 DNA 的 Gene Writing 可以通過腺相關(guān)病毒（AAV）進(jìn)行遞送。相比于基于 RNA 的 Gene Writing，基于 DNA 的 Gene Writing 可以插入數(shù)千個堿基，插入基因長度更廣。

問：Tessera 如何克服 AAV 和 LNP 載體現(xiàn)有的瓶頸？

Tessera：AAV 載體的一個關(guān)鍵瓶頸是，它們在細(xì)胞分裂時不能復(fù)制，因此隨著時間的推移會被稀釋掉。這使得以 AAV 為遞送工具的藥物難以治療嬰兒和兒童的一些疾病。我們正在嘗試將 AAV 載體進(jìn)行整合，以便于我們的 DNA Gene Writing 平臺在細(xì)胞分裂時依然能有效地進(jìn)行修改。

另一個原因是由于免疫原性，AAV 載體難以在體內(nèi)擴(kuò)增。所以我們基于 RNA 的 Gene Writing 平臺使用了 LNP 載體，也降低了生產(chǎn)成本，為患者提供了更多的治療選擇。

問：Tessera 的研究進(jìn)展如何？下一步的計劃是什么？如何看待目前的基因治療？

Tessera：我們目前已經(jīng)可以用 Gene Writing 技術(shù)永久性地改變小鼠的基因組，并且獲得了一些有前景的臨床前數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在正在投資計算和實驗室發(fā)現(xiàn)管道，以創(chuàng)造第二代 Gene Writing 技術(shù)。未來兩年的重點將是團(tuán)隊的增長，計劃將團(tuán)隊從 30 人擴(kuò)大到 150 人，以便開始開發(fā) Tessera 第一個候選治療方案。

遺傳醫(yī)學(xué)可以為病人提供治療，這是令人興奮的事。不過，目前該領(lǐng)域仍處于起步階段?？偟膩碚f，我們認(rèn)為在 DNA 水平上糾正和預(yù)防疾病的工具將是本世紀(jì)最重要的醫(yī)學(xué)進(jìn)步之一。（摘自美《深科技》）（編輯/克珂）