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Nature Biotechnology | 基因快递车再升级：研究人员破解精准投递超大包裹的秘密

生物探索

2025-03-21 16:35发布于江苏科学领域创作者

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AI划重点 · 全文约2845字，阅读需9分钟

1.研究人员发现AAV病毒在进入大脑时，能像拼图般组合基因片段，突破4.7kb的运载极限。

2.转录串扰机制使基因编辑效率飙升177倍，非目标组织的脱靶效应暴跌97%。

3.通过分体式基因编辑系统，研究人员成功实现了特定脑细胞的精准编辑。

4.未来，这种策略有望实现单次注射治疗阿尔茨海默病、帕金森病等疾病。

5.该研究为基因治疗开启了新的维度，从“地毯式轰炸”转向“激光制导”。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

引言

治疗基因的"快递车"竟然自带"拼单"功能？研究人员发现了一个颠覆认知的现象：当两种携带不同"导航系统"的腺相关病毒（AAV）进入大脑，它们竟会像拼图般组合基因片段，将原本4.7kb的运载极限瞬间突破——这种被命名为"转录串扰"（Transcriptional crosstalk）的机制，让AAV如同获得超能力的快递员，成功将CRISPR基因剪刀等"大件包裹"精准送达目标细胞。

过去三十年，基因治疗始终被"快递车太小"的魔咒困扰。即便最先进的工程化AAV，也只能运送相当于一本薄册子的基因片段，而治疗遗传性失明、渐冻症等疾病所需的"工具书"常常超重。研究人员尝试过各种"扩容方案"，从压缩基因序列到拆分工具组件，但就像给火箭装自行车轮胎——要么动力不足，要么导航失灵。

直到3月20日这项登上《Nature Biotechnology》的研究“Spatial genomics of AAV vectors reveals mechanism of transcriptional crosstalk that enables targeted delivery of large genetic cargo”，揭示了病毒深藏的生存智慧：当多个AAV进入同一细胞，它们的基因组会自发拼接成"分子拼图"，让不同病毒携带的增强子（Enhancer）和启动子（Promoter）重新组合。在实验中，这种天然机制使基因编辑效率飙升177倍，非目标组织的脱靶效应却暴跌97%。更惊人的是，普通小鼠仅需静脉注射就能实现特定脑细胞的精准编辑，这在过去需要耗时数月的转基因动物才能完成。

这项发现将起医学界的风暴。它不仅是实验室里的技术突破，更预示着未来单次注射治疗阿尔茨海默病、帕金森病的可能。当病毒教给人类"分装运输"的智慧，基因治疗的新纪元，或许就从这场微观世界的"拼单革命"开始。

基因治疗的"快递小哥"遇瓶颈

腺相关病毒（Adeno-associated virus, AAV）堪称最受欢迎的"基因快递员"。这种直径仅20纳米的病毒载体（Viral vector）既能穿越血脑屏障（Blood-brain barrier, BBB），又能长期稳定表达外源基因，目前已有多个AAV基因疗法获得FDA批准。但这位"快递小哥"有个致命弱点——它的"包裹容量"仅有4.7千碱基对（kb），这相当于只能运送一本薄薄的小册子，而像CRISPR-Cas9系统这样的"工具书"往往超过5kb。

传统解决方案就像给快递车装导航：在AAV基因组中加入特定增强子（Enhancer）来靶向特定细胞。比如小脑浦肯野细胞（Purkinje cells, PCs）专用的Ple155增强子，或是前脑中间神经元（Interneurons）专属的mDLX增强子。但问题在于，这些"导航系统"本身就要占据1-2kb的空间，留给治疗基因的位置更加捉襟见肘。

意外发现的"隔空对话"现象

研究团队在实验中观察到神奇现象：当携带Ple155增强子的绿色荧光病毒（EGFP）与携带mDLX增强子的红色荧光病毒（mRuby2）共同注射时，原本只在前脑活跃的红色荧光竟意外点亮了小脑浦肯野细胞！这种跨越不同病毒基因组的"对话"被命名为转录串扰（Transcriptional crosstalk）。

通过系统筛选11种不同脑区增强子，研究人员发现这种"隔空对话"具有普遍性：所有测试的增强子都能激活其他病毒上的最小启动子（minBG promoter）。例如皮质增强子mscRE4单独使用仅在前脑表达，但与Ple155病毒共注射时，其荧光强度在小脑提升了8.7倍。这种"借力使力"的机制，为突破AAV运载限制提供了全新思路。

增强子和启动子在不同的AAV基因组中存在广泛的转录串扰（Credit: Nature Biotechnology）

破解"病毒拼图"的分子密码

要解开转录串扰之谜，传统检测手段力有不逮。研究团队创新开发了两种空间基因组学技术：AAV-Zombie能像"病毒CT"般在完整组织中定位单个AAV基因组；SpECTr技术则专门捕捉病毒基因的串联体（Concatemer）。

在神经元培养实验中，SpECTr首次动态展示了病毒基因组在细胞内的命运：注射后24小时内，超过60%的病毒DNA在细胞核内形成多聚体。这些串联体就像分子"拼图"，将不同病毒上的增强子和启动子物理连接，重现了天然染色体上"增强子-启动子"互作的空间构象。当使用DNA修复缺陷的SCID小鼠（Prkdcscid/scid）时，串联体形成减少78%，转录串扰效率随之暴跌，直接验证了分子拼图假说。

改写基因的"细胞狙击枪"

利用这种天然机制，研究人员设计了分体式基因编辑系统：一个病毒携带Cas9核酸酶（3.2kb），另一个装载Ple155增强子。在小鼠实验中，这种"分体快递"成功实现了浦肯野细胞的精准编辑。相比传统方法，靶向细胞编辑效率提升177倍，而非目标组织（如肝脏）的脱靶效应降低97%。

更令人振奋的是，这种策略无需转基因动物配合。在野生型小鼠中，仅通过系统性注射（Systemic administration）就重现了Cacna1a基因敲除的经典表型：接受编辑的小鼠出现运动失调（Ataxia），在狭窄横梁测试中失误率增加3倍，步态分析显示四肢协调性下降62%。而通过EEG监测发现，传统全身编辑会引发癫痫样放电，但分体式系统将异常放电控制在基线水平，展现出卓越的安全性。

从实验室到临床的"破壁"意义

这项发现正在改写基因治疗的规则手册：

超大基因装载：将CRISPR激活系统（CRISPRa）、碱基编辑（Base editing）等"大块头"工具送入特定细胞

精准调控：通过组合不同增强子，实现器官-细胞层级的精细调控

非人灵长类突破：已有实验室用工程化AAV（AAV.CAP-B10）在猕猴脑内实现跨脑区编辑

临床转化捷径：避免繁琐的转基因动物制备，直接使用普通实验动物

更令人期待的是，配合新开发的BBB穿透型AAV（如PHP.eB），未来或可实现单次注射治疗多脑区疾病。

改写生命密码的"安全锁"

任何基因治疗都需警惕脱靶风险。该研究通过多重保障提升安全性：

分子隔离：将核酸酶与调控元件分装不同病毒，降低意外激活

时空控制：结合光控元件（如PhyB-PIF系统），实现光开关调控

双重靶向：同时利用组织特异性衣壳（Capsid）和增强子

动态监测：AAV-Zombie技术可实时追踪病毒在器官间的分布

在肝脏这一常见脱靶器官中，分体式系统的Cas9活性仅为传统方法的3%。这种"细胞类型双因子认证"机制，为临床转化筑起安全防线。

未来：基因治疗的星辰大海

站在这个突破的节点回望，从1995年首例AAV临床试验到如今，基因治疗已走过近30年历程。该研究揭示的转录串扰机制，不仅解开了AAV生物学的关键谜题，更打开了精准医学的新维度：

神经系统疾病：渐冻症（ALS）的运动神经元靶向修复

代谢疾病：肝细胞特异性纠正苯丙酮尿症

癌症治疗：在肿瘤微环境特异性激活免疫调节基因

衰老干预：选择性清除衰老细胞

我们正在见证基因治疗从“地毯式轰炸”转向“激光制导”的范式变革。当研究人员的智慧与病毒的天然智慧相遇，改写生命密码的钥匙，正在开启无限可能。

参考文献

Coughlin, G.M., Borsos, M., Barcelona, B.H. et al. Spatial genomics of AAV vectors reveals mechanism of transcriptional crosstalk that enables targeted delivery of large genetic cargo. Nat Biotechnol (2025). https://doi.org/10.1038/s41587-025-02565-4

责编|探索君

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