Nature子刊：刘德培院士团队开发模块化单链DNA供体，实现高效精确基因编辑
基因编辑技术在生物学研究和临床基因治疗中扮演着核心角色。这一技术利用可编程的内切酶，例如Cas9和Cas12a，诱导内源性DNA修复途径，特别是双链损伤断裂（double-strand break，DSB）修复，修复过程包括易出错的非同源末端连接（NHEJ）和精确的同源定向修复（HDR）两种主要途径。
然而，HDR的效率相对较低，成为实现精确基因编辑的主要障碍。通过抑制NHEJ修复途径，例如使用小分子M3814等策略，HDR效率有所提高。尽管如此，外源DNA供体的参与仍然是HDR效率的限制因素。
单链DNA供体在HDR效率和细胞毒性方面通常优于双链DNA供体。因此，提高单链DNA供体介导的HDR效率成为多数研究的重点。其中，最有效的方法是将其与Cas9 RNP复合物结合。这些策略表明，单链DNA供体与目标位点的距离是决定HDR效率的关键。然而，这些方法需要对Cas9蛋白和/或ssDNA供体进行化学修饰，存在诸多不足，如不适用于mRNA脂质纳米颗粒和病毒递送系统、与其他可编程核酸酶不兼容、可能降低Cas9活性以及增加生产成本等。因此，开发无需化学修饰的方法来提高单链DNA供体的HDR效率具有重要意义。
单链DNA不仅承担着传递遗传信息的基本功能，还具备多种生物活性，例如作为病原体相关分子模式激活先天免疫反应，作为反义寡核苷酸调控基因表达，以及作为适配体调节蛋白质功能等。这些功能依赖于单链DNA与细胞内蛋白质之间的特定相互作用。
基于这一原理，研究团队提出了一项创新策略，即利用单链DNA的特异序列，将其与DSB修复相关的内源蛋白相结合，从而促进单链DNA供体在DSB位点的高效聚集和应用（见图1）。
研究团队通过寡聚脱氧核苷酸免疫共沉淀（ODN immunoprecipitation，ODIP）-Seq实验，揭示了内源DSB修复相关蛋白（例如RAD51）具有序列偏好的ODN结合活性。在单链DNA供体的5'端连接RAD51高亲和力序列（即HDR增强模块）后，能够显著提升其与RAD51蛋白的结合能力，从而有效提高单链DNA供体在Cas9、nCas9、Cas12a等系统以及多种细胞的不同基因位点中的HDR效率。通过联合使用DNA-PKcs抑制剂M3814或HDRobust策略，这种模块化的单链DNA供体实现了高达90.03%的HDR效率（见图2）。
该设计通过在单链DNA供体的5'端接入特定的天然DNA序列，促进了与细胞内源性蛋白的相互作用，从而免除了对化学修饰的依赖。这一策略不仅提升了操作的便捷性和安全性，而且在基因编辑的精确性和效率上实现了显著进步。
模块化的设计理念为单链DNA供体的多功能化提供了可能，为基因编辑技术的临床应用和基础研究开辟了新的路径。这一技术的创新和应用，为解析基因功能、治疗遗传疾病以及推动生物工程领域的进展提供了强有力的工具。