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傳統基因編輯工具（如CRISPR-Cas9）雖然在糾正小片段突變方面取得了顯著進展，但在插入完整基因方面仍面臨挑戰。病毒載體雖然可以插入完整的基因，但存在隨機整合和免疫原性等問題，限制了其廣泛應用。

相比之下，細菌中天然存在的CRISPR相關轉座酶（CAST）能夠通過CRISPR引導實現大片段DNA的精準插入，但野生型CAST在人類細胞中的效率極低（通常≤0.1%）。

5月15日，Broad研究所劉如謙（David R. Liu）和哥倫比亞大學Samuel H. Sternberg團隊在Science雜志上發表了一項重要成果。他們通過定向進化與理性設計相結合的方法，成功改造了CAST系統，開發出了一種高效、精準、通用的基因插入工具——evoCAST。這一技術突破了CAST在人類細胞中的效率瓶頸，為遺傳病治療、細胞工程及基礎研究提供了全新的平臺。

此外，evoCAST技術成功破解了基因治療領域自誕生以來的核心難題——如何在人類基因組的特定位點精準插入長鏈DNA片段，同時避免產生非預期修飾。

圖1. evoCAST技術示意圖

以囊性纖維化為例，CFTR（囊性纖維跨膜轉導調控因子）基因存在數百至數千種致病突變，傳統方法需要開發海量針對性藥物。而evoCAST技術可以實現“以一治百”——通過將完整健康基因精準植入基因組，無需考慮具體突變類型。這一優勢使得evoCAST在治療遺傳性疾病方面具有巨大的潛力。

evoCAST的研發靈感源自Sternberg團隊數年前在細菌中發現的一類天然基因轉移系統CAST。這類系統不僅能實現大片段DNA的無斷裂插入（避免染色體損傷風險），還具有可編程特性，可精準定位基因組靶點。

研究者首先將CAST的轉座酶模塊（TnsABC）與噬菌體的繁殖聯系起來，通過不斷的選擇和進化，最終得到了一個進化后的TnsB蛋白，它在人類細胞中的整合活性比野生型CAST提高了200倍以上。

圖2. evoCAST的開發和表征

通過結合進化后的TnsB和其他優化的CAST組件，研究者開發出了evoCAST系統。evoCAST在14個不同的基因組目標位點上實現了10%到30%的整合效率，比野生型CAST提高了420倍。且evoCAST能夠支持大于10kb的大型DNA負載的整合。

evoCAST在整合過程中沒有檢測到插入和缺失，主要為單向插入，具有單個堿基對的精確整合能力，并且在非目標位點的整合水平很低。此外，evoCAST在多種人類細胞類型中表現出了高效的整合能力，包括原代人類成纖維細胞。

圖3. evoCAST介導多種人類細胞類型中治療相關的內源性基因組位點的高效DNA整合

當前最大挑戰在于體內遞送系統的開發，如何將編輯工具與治療性基因高效遞送至目標組織是整個領域面臨的共性問題。隨著后續研究的推進，evoCAST有望開啟基因治療新紀元，為遺傳病患者提供更安全、普適的治療方案。

研究團隊計劃在更具臨床相關性的模型系統中開展測試，加速技術轉化進程。

參考資料：

[1]Isaac P. Witte et al. Programmable gene insertion in human cells with a laboratory-evolved CRISPR-associated transposase. Science（2025）

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5199

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-025-01518-w#ref-CR1

[3]https://www.cuimc.columbia.edu/news/sternberg-evocast-gene-editor

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