近日，科學(xué)家進(jìn)行了一系列使用CRISPR-Cas9編輯人胚胎基因組的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果揭示，該過程可能對靶位點(diǎn)或其附近的基因組造成不必要的巨大變化。
這三項(xiàng)獨(dú)立研究均已發(fā)表在預(yù)印本服務(wù)器bioRxiv上，并揭示了CRISPR–Cas9基因編輯的新風(fēng)險(xiǎn)。既往研究表明，CRISPR–Cas9引起的脫靶突變常常發(fā)生在距離靶點(diǎn)很遠(yuǎn)的位置。但近來的研究發(fā)現(xiàn)，不僅僅是目標(biāo)位點(diǎn)的遠(yuǎn)處，CRISPR–Cas9也會在目標(biāo)位點(diǎn)附近引入不必要的突變，這是傳統(tǒng)方法所不能檢測到的。
澳大利亞國立大學(xué)遺傳學(xué)家Gaétan Burgio表示，這些靶向效應(yīng)更重要、更難以消除。
編輯人類胚胎來預(yù)防遺傳病的安全爭論一直在持續(xù)，因?yàn)檫@樣做會對基因組造成長久、可遺傳的改變?！叭绻岩陨碁槟康牡娜祟惻咛セ蚓庉嫽顒颖茸魇翘诊w行，那么的研究相當(dāng)于把發(fā)射臺上未起飛的火箭給炸了?！泵绹又荽髮W(xué)伯克利分校研究基因編輯的Fyodor Urnov說。
2015年，研究人員在實(shí)驗(yàn)室首次使用CRISPR編輯人類胚胎。從那時(shí)起，世界各地的研究團(tuán)隊(duì)開始嘗試這個(gè)過程，目的是對基因進(jìn)行精準(zhǔn)的編輯。但這樣的研究仍然很少，而且通常受到嚴(yán)格的監(jiān)管。
CRISPR-Cas9基因編輯的關(guān)鍵是細(xì)胞主動修復(fù)被切割的DNA。“這些研究告訴我們，人們對這個(gè)過程的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?！庇~卡斯?fàn)柎髮W(xué)生殖生物學(xué)家Mary Herbert說，用Cas9酶攻擊DNA之前，我們需要充分了解細(xì)胞里究竟會發(fā)生什么。
英國弗朗西斯·克里克研究所發(fā)育生物學(xué)家Kathy Niakan團(tuán)隊(duì)于6月5日在bioRxiv發(fā)布了論文。在這項(xiàng)研究中，研究人員使用CRISPR-Cas9在POU5F1基因中引入突變，該基因?qū)ε咛グl(fā)育很重要。在18個(gè)被編輯的胚胎中，約22%被檢出在POU5F1周圍發(fā)生大量突變，包括DNA的重排和數(shù)千個(gè)堿基的缺失。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了研究人員的預(yù)期。
另一篇研究由美國哥倫比亞大學(xué)干細(xì)胞生物學(xué)家Dieter Egli實(shí)驗(yàn)室完成，他們試圖使用CRISPR-Cas9糾正EYS2基因的突變，這種突變會導(dǎo)致失明。基因編輯后，大約一半的胚胎丟失了大量的染色體片段，有時(shí)甚至是EYS基因所在的整個(gè)染色體。
第三篇研究是美國俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)生殖生物學(xué)家Shoukhrat Mitalipov課題組負(fù)責(zé)。他們研究了帶有引發(fā)心臟疾病突變的胚胎，也發(fā)現(xiàn)CRISPR-Cas9編輯會影響目標(biāo)位點(diǎn)所在的染色體。
這些意想不到的后果是DNA修復(fù)機(jī)制帶來的。CRISPR-Cas9通過一小段 RNA將Cas9酶定位到目標(biāo)位點(diǎn)，隨后Cas9切斷兩條DNA鏈，后細(xì)胞會修復(fù)這個(gè)雙鏈缺口。
基因編輯是在修復(fù)過程中發(fā)生的。通常情況下，細(xì)胞會用一種容易出錯(cuò)的機(jī)制來修復(fù)缺口，結(jié)果是少量堿基的插入或刪除。如果人為地給細(xì)胞提供DNA模板，細(xì)胞有時(shí)會用這個(gè)模板來修補(bǔ)缺口，從而引入新的DNA序列。但是，DNA雙鏈斷裂還會導(dǎo)致DNA序列的混亂或染色體的缺失。
既往研究已表明，在小鼠胚胎或人類細(xì)胞中使用CRISPR編輯會造成不必要的巨大影響。但是，Urnov表示，在人類胚胎中完成這項(xiàng)工作也很重要，因?yàn)椴煌募?xì)胞類型可能對基因編輯做出不同的反應(yīng)。
之前的研究通常只關(guān)注單個(gè)或幾個(gè)堿基的突變，從而遺漏了這種大規(guī)模的染色體變異。的三項(xiàng)研究專門尋找這些目標(biāo)位點(diǎn)附近的大規(guī)模突變，Urnov認(rèn)為，科學(xué)界應(yīng)更加認(rèn)真地對待這一問題，而不是心存僥幸。
三項(xiàng)研究提出了不同的機(jī)制以解釋觀察到的現(xiàn)象。Egli和Niakan的團(tuán)隊(duì)將胚胎中觀察到的大部分變化歸因于大量的缺失和重排。Mitalipov團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們發(fā)現(xiàn)的變異中有40%由基因轉(zhuǎn)換引起。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/0.1101/2020.06.05.135913
https://doi.org/10.1101/2020.06.17.149237
https://doi.org/10.1101/2020.06.19.162214
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