撰文 | Leon
責編 | 雪月
近日，三項獨立的研究顯示，在人類胚胎進行CRISPR基因編輯會引起大量DNA的缺失和重組。這些結果無疑增加了人們對基因編輯安全性的擔憂。
對人類胚胎進行基因編輯一直是一件飽受爭議的事情（圖源：Pascal Goetgheluck/Science Photo Library）
最近，科學家又進行了一系列使用CRISPR-Cas9編輯人胚胎基因組的實驗。結果揭示，這會在目標位點附近引入大量不必要的改變。
三項獨立的研究分別來自英國弗朗西斯-克里克研究所的Kathy Niakan課題組、美國哥倫比亞大學的Dieter Egli實驗室以及美國俄勒岡健康與科學大學/山東大學的Shoukhrat Mitalipov課題組，都已經上傳到預印本伺服器bioRxiv上【1-3】。這些研究揭示了CRISPR–Cas9基因編輯的新風險。先前的研究表明，CRISPR–Cas9引起的脫靶突變常常發生在距離靶點很遠的位置。最近的研究中，研究人員發現，不僅僅是目標位點的遠處，CRISPR–Cas9也會在目標位點附近引入不必要的突變，這是傳統方法所不能檢測到的。基因編輯領域學者Gaétan Burgio認為，這些「on-target」效應更難以避免。
是否應該編輯人類胚胎來預防遺傳病的爭論一直在持續。這之所以有爭議，是因為這樣做會對基因組造成了永久的、可遺傳的改變。「如果把以生殖為目的的人類胚胎基因編輯活動比作是太空飛行，那麼最新的研究相當於把發射臺上未起飛的火箭給炸了。」在加州大學伯克利分校研究基因編輯的Fyodor Urnov說。
意想不到的編輯後果
2015年，中山大學的黃軍就實驗室首次用CRISPR編輯人類胚胎【4】。從那時起，世界各地的團隊開始嘗試這個過程。但這樣的研究仍然很少，而且通常受到嚴格的監管。
CRISPR-Cas9基因編輯的關鍵一步是，細胞主動修復被切割的DNA。這些最新的研究告訴我們，人們對這個過程的瞭解仍然遠遠不夠。生物學家Mary Herbert說，用Cas9酶攻擊DNA之前，我們需要充分了解細胞裡究竟會發生什麼。
英國倫敦的弗朗西斯-克里克研究所的Kathy Niakan課題組於6月5日在bioRxiv發佈了第一篇論文。在這項研究中，研究人員使用CRISPR-Cas9在POU5F1基因中引入突變，該基因對胚胎發育很重要。在18個被編輯的胚胎中，約22%被檢出位於POU5F1周圍的大量突變，包括DNA的重排和數千個鹼基的缺失。這遠遠超出了研究人員的預期。
另一篇研究由美國哥倫比亞大學的Dieter Egli實驗室完成，他們試圖使用CRISPR-Cas9糾正EYS基因的突變，這種突變會導致失明。編輯後，大約一半的胚胎丟失了大量的染色體片段，有時甚至是EYS基因所在的整個染色體。
由美國俄勒岡健康與科學大學/山東大學的Shoukhrat Mitalipov領導的第三組研究人員研究了帶有引發心臟疾病突變的胚胎。類似地，他們發現CRISPR-Cas9編輯會影響目標位點所在的染色體。
難以預測的DNA修復
這些意想不到的後果是DNA修復機制所帶來的。CRISPR-Cas9技術通過guide RNA將Cas9酶定位到目標位點，然後Cas9把兩條DNA鏈切斷，最後細胞自己會修復這個雙鏈缺口。
基因的編輯是在修復過程中發生的。在一般情況下，細胞會用一種容易出錯的機制來修復缺口，結果是少量鹼基的插入或刪除。如果人為地給細胞提供DNA模板，細胞有時會用這個模板來修補缺口，從而引入新的DNA序列。但是，DNA雙鏈斷裂還會導致DNA序列的混亂或染色體的缺失。
先前的研究已經表明，在小鼠胚胎或人類細胞中使用CRISPR編輯會造成巨大的、不必要的影響【5，6】。但是，在人類胚胎中完成這項工作也很重要，因為不同的細胞類型可能對基因編輯做出不同的反應。
之前的研究通常只會關注單個或幾個鹼基的突變，從而遺漏了這種大規模的染色體變異。最新的三項研究專門尋找這些目標位點附近的大規模突變，科學界應更加認真地對待這一問題，而不是心存僥倖。
撲朔迷離的分子機制
三項研究提出了不同的機制以解釋觀察到的現象。弗朗西斯-克里克研究所和哥倫比亞大學的研究人員將胚胎中觀察到的大部分變化歸因於大量的缺失和重排。俄勒岡健康與科學大學/山東大學的研究小組認為，他們發現的變異中有40%由基因轉換（gene conversions）引起。
原文連結
https://www.nature.com/articles/d41586-020-01906-4
更多閱讀
里程碑！首次進行患者體內CRISPR基因編輯治療
初生牛犢不怕虎 | 基因編輯路上的斬棘者&曼聯鐵桿球迷——楊輝
特別梳理 | 基因編輯進入新時代
『珍藏版』Nat Biotech綜述 | CRISPR-Cas系統相關的基因編輯工具詳談
『珍藏版』Nature綜述 | 基因編輯技術在臨床應用方面的機遇與挑戰
製版人：十一
參考文獻
1. Frequent loss-of-heterozygosity in CRISPR-Cas9-edited early human embryos. bioRxiv. 2020.06.05.135913. doi: 10.1101/2020.06.05.135913
2. Reading frame restoration at the EYS locus, and allele-specific chromosome removal after Cas9 cleavage in human embryos. bioRxiv. 2020.06.17.149237. doi: 10.1101/2020.06.17.149237
3. Frequent gene conversion in human embryos induced by double strand breaks. bioRxiv. 2020.06.19.162214. doi: 10.1101/2020.06.19.162214
4. CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human tripronuclear zygotes. Protein Cell. 2015;6(5):363-372. doi:10.1007/s13238-015-0153-5
5. Large deletions induced by Cas9 cleavage. Nature. 2018;560(7717):E8-E9. doi:10.1038/s41586-018-0380-z
6. Repair of double-strand breaks induced by CRISPR-Cas9 leads to large deletions and complex rearrangements. Nat Biotechnol. 2018;36(8):765-771. doi:10.1038/nbt.4192
