英美最新研究警示：人类胚胎中的CRISPR基因编辑会造成染色体混乱

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作者：Cathy

导言：先前的研究已经表明，CRISPR–Cas9基因编辑技术可以在靶位点以外造成“脱靶”基因突变。近段时间，有一系列使用CRISPR–Cas9技术修饰人类胚胎的研究，揭示了该过程如何对靶位点或其附近的基因组造成不必要的重大效应。

基因编辑（gene editing）是一种能比较精确地对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种新兴基因工程技术。CRISPR技术是在20世纪90年代初发现的，并迅速成为人类生物学、农业和微生物学等领域最流行的基因编辑工具。

最近这些研究在本月发表在预印本bioRxiv。研究发现，人类胚胎中的CRISPR基因编辑会造成染色体混乱，标准评估方法可能遗漏了靶位点附近的变化。总的来说，这些研究使科学家更加了解了CRISPR–Cas9编辑中被低估的风险。

堪培拉澳大利亚国立大学的遗传学家Gaétan Burgio说：“目标效应更为重要，而且消除起来会更加困难。”

这些安全问题可能会引起有关科学家对是否应编辑人类胚胎以预防遗传疾病的争论，这是非常有争议的，因为它对基因组造成了永久性的改变，可以世代相传。加利福尼亚大学的Fyodor Urnov说：“如果用于生殖目的的人类胚胎编辑或生殖系编辑是太空飞行，那么新数据就相当于火箭起飞前在发射台爆炸。”

不必要的效应

研究人员在2015年进行了使用CRISPR编辑人类胚胎的第一个实验。从那以后，世界各地的少数团队开始探索这一过程，目的是对基因进行精确的编辑。但是这样的研究仍然很少，而且受到严格的规范。

英国纽卡斯尔大学的生殖生物学家Mary Herbert说：“最新的研究说明了，我们对于人类胚胎如何修复那些被基因组编辑工具切割的DNA所知甚少，这是CRISPR–Cas9编辑的关键步骤。在开始使用DNA切割酶之前，我们就需要知道其中会发生什么样的改变。”

在伦敦弗朗西斯·克里克研究所的发育生物学家Kathy Niakan及其同事的研究中，他们使用CRISPR–Cas9在POU5F1基因中产生突变，这对胚胎发育很重要。在18个经过基因组编辑的胚胎中，约22％包含不想要的变化，这些变化影响了POU5F1周围的大量DNA 。它们包括DNA重排和数千个DNA碱基的缺失，这大大超过了研究人员使用这种方法的意图。

另一个研究小组，由纽约市哥伦比亚大学的干细胞生物学家Dieter Egli领导的科学家，研究了由精子产生的胚胎，该精子在EYS的基因中带有致盲突变。该团队使用CRISPR–Cas9来尝试纠正该突变，但是大约一半的受试胚胎丢失了EYS所在染色体的大部分片段（有时甚至是整个染色体）。

第三个研究小组，波特兰俄勒冈健康与科学大学的生殖生物学家Shoukhrat Mitalipov领导的科学家，研究了具有导致心脏病突变的精子培育的胚胎。这个小组发现的一些迹象表明，基因编辑影响了染色体中含有突变基因的大片区域。

不可预测的修复

这些变化是基因组编辑工具控制DNA修复过程的结果。CRISPR–Cas9使用一小段RNA将Cas9酶导向基因组中具有相似序列的位点。然后，这种酶切断了该部位的两条DNA链，再由细胞的修复系统修复这个缺口。

基因编辑发生在修复过程中：大多数情况下，细胞使用一种易错机制来封闭切口，这种机制会插入或删除少量的DNA碱基。如果研究人员提供一个DNA模板，细胞有时可能会按照这个序列来修补伤口，从而达到真正的基因重写。然而断裂的DNA也会导致染色体大区域的混乱或丢失。

先前在小鼠胚胎和其他人类细胞中使用CRISPR的研究已经证明，编辑染色体会造成巨大的、不必要的效应。但Urnov说，在人类胚胎中证明这项工作也很重要，因为不同的细胞类型对基因组编辑的反应可能不同。

在许多实验中，这样的重排可能会被忽略，如单个DNA碱基的改变，或者只插入或删除几个碱基。然而，最新的研究专门针对靶位点附近的大量缺失和染色体重排进行了研究。Urnov说：“从现在开始，我们科学界的所有人都应该比之前更认真地对待这件事。这不是一时的侥幸。”

基因改变

这三项研究对DNA变化的产生提供了不同的解释。Egli和Niakan的研究小组将其胚胎中观察到的大部分变化归因于大的缺失和重排。Mitalipov的研究小组则说，他们发现的40%的变化是由一种称为基因转换的现象引起的，在这种现象中，DNA修复过程从一对染色体中的一条染色体复制一个序列，从而治愈另一条染色体。

Mitalipov和他的同事在2017年报道了类似的发现，但一些研究人员对胚胎中可能发生频繁的基因转换持怀疑态度。他们指出，在基因转换发生时，母本和父本的染色体并不相邻，研究小组用来鉴定基因转换的分析可能是在检测其他染色体的变化，包括缺失。

Egli和他的同事在最新的研究中直接检测了基因转换，但并未找到，Burgio指出，Mitalipov使用的分析方法与2017年他们使用的方法相似。首尔国立大学的遗传学家金秀珍（Jin Soo Kim）说，一种可能是断裂DNA在染色体上不同位置的愈合方式不同。

参考：

【1】https://www.nature.com/articles/d41586-020-01906-4

【2】https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.06.19.162214v1

【3】https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.06.17.149237v1

原标题：《【综述】英美最新研究警示：人类胚胎中的CRISPR基因编辑会造成染色体混乱》

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