In vivo genome editing with prime editors allows for the correction of mutations and phenotypes in adult mice with liver and eye diseases

Abstract

The performance of prime editing — a gene-editing technique that induces small genetic changes without the need for donor DNA and without causing double-stranded breaks (DSBs) — in correcting pathogenic mutations and phenotypes needs to be validated in animal models of human genetic diseases. Here, we report the performance of prime editors 2 and 3, delivered by hydrodynamic injection, in mice with the genetic liver disease hereditary tyrosinemia type I, and of prime editor 2, delivered by an adeno-associated viral vector, in mice with the genetic eye disease Leber congenital amaurosis (LCA). For each pathogenic mutation, we identified an optimal prime editing guide RNA by using cells transduced by lentiviral libraries of guide-RNA-encoding sequences paired with the corresponding target sequences. The prime editors corrected the disease-causing mutations in a highly precise manner and led to the amelioration of the disease phenotypes in the mice without detectable off-target effects. This study suggests that prime editing will be a promising approach for treating genetic diseases.

이중가닥 절단(DSB)을 일으키지 않고 공여 DNA(Donor DNA) 없이도 특이적으로 유전자를 교정할 수 있는 기법인 프라임 편집(Prime editing)의 성능은 인간의 유전질환을 갖는 동물 모델에서 검증될 필요가 있었다. 본 연구에서는 유전성 타이로신혈증 및 유전성 레버선천성흑암시(LCA)에 대한 병원성 돌연변이에 대해 수백개의 프라임 편집 가이드 RNA(Prime editing guide RNA)를 고안하여 렌티 바이러스 라이브러리 형태로 제작하였고 이를 감염시킨 세포주를 이용한 소규모의 라이브러리 실험을 통해 최적의 프라임 편집 가이드 RNA를 선정하였다. 이후, 유전성 타이로신혈증 생쥐모델에 유체역학 주입을 통해 프라임 편집기(Prime editor) 2 또는 3을 전달하여 병원성 돌연변이 교정 효율을 확인하였고, 레버선천성흑암시를 가진 생쥐에는 아데노 관련 바이러스 벡터(Adeno-associated virus)로 프라임 편집기 2를 전달하여 유전자 교정 효율을 평가하였다. 생체 내에서 프라임 편집기는 질병 유발 돌연변이를 매우 정교한 방법으로 수정하였고, 오프-타겟 효과의 유발 없이 생쥐의 질병 표현형을 개선하였다. 따라서, 본 연구는 프라임 편집이 유전병 치료에 유망한 접근법이 될 것임을 시사하고 있다.