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CRISPR基因编辑导致胚胎染色体出现严重混乱

近日,三项独立的研究显示,在人类胚胎进行CRISPR基因编辑会引起大量DNA的缺失和重组这些结果无疑增加了人们对基因编辑安全性的担忧。

CRISPR基因编辑导致胚胎染色体出现严重混乱

对人类胚胎进行基因编辑一直是一件饱受争议的事情(图源:Pascal Goetgheluck/Science Photo Library)

最近,科学家又进行了一系列使用CRISPR-Cas9编辑人胚胎基因组的实验。结果揭示,这会在目标位点附近引入大量不必要的改变

三项独立的研究分别来自英国弗朗西斯-克里克研究所的Kathy Niakan课题组、美国哥伦比亚大学的Dieter Egli实验室以及美国俄勒冈健康与科学大学/山东大学的Shoukhrat Mitalipov课题组,都已经上传到预印本服务器bioRxiv【1-3】这些研究揭示了CRISPR–Cas9基因编辑的新风险。先前的研究表明,CRISPR–Cas9引起的脱靶突变常常发生在距离靶点很远的位置。最近的研究中,研究人员发现,不仅仅是目标位点的远处,CRISPR–Cas9也会在目标位点附近引入不必要的突变,这是传统方法所不能检测到的。基因编辑领域学者Gaétan Burgio认为,这些“on-target”效应更难以避免。

CRISPR基因编辑导致胚胎染色体出现严重混乱

CRISPR基因编辑导致胚胎染色体出现严重混乱

CRISPR基因编辑导致胚胎染色体出现严重混乱

是否应该编辑人类胚胎来预防遗传病的争论一直在持续。这之所以有争议,是因为这样做会对基因组造成了永久的、可遗传的改变“如果把以生殖为目的的人类胚胎基因编辑活动比作是太空飞行,那么最新的研究相当于把发射台上未起飞的火箭给炸了。”在加州大学伯克利分校研究基因编辑的Fyodor Urnov说。

意想不到的编辑后果

2015年,中山大学的黄军就实验室首次用CRISPR编辑人类胚胎【4】。从那时起,世界各地的团队开始尝试这个过程。但这样的研究仍然很少,而且通常受到严格的监管。

CRISPR-Cas9基因编辑的关键一步是,细胞主动修复被切割的DNA。这些最新的研究告诉我们,人们对这个过程的了解仍然远远不够。生物学家Mary Herbert说,用Cas9酶攻击DNA之前,我们需要充分了解细胞里究竟会发生什么。

英国伦敦的弗朗西斯-克里克研究所的Kathy Niakan课题组于6月5日在bioRxiv发布了第一篇论文。在这项研究中,研究人员使用CRISPR-Cas9在POU5F1基因中引入突变,该基因对胚胎发育很重要。在18个被编辑的胚胎中,约22%被检出位于POU5F1周围的大量突变,包括DNA的重排和数千个碱基的缺失。这远远超出了研究人员的预期。

另一篇研究由美国哥伦比亚大学的Dieter Egli实验室完成,他们试图使用CRISPR-Cas9纠正EYS基因的突变,这种突变会导致失明。编辑后,大约一半的胚胎丢失了大量的染色体片段,有时甚至是EYS基因所在的整个染色体。

由美国俄勒冈健康与科学大学/山东大学的Shoukhrat Mitalipov领导的第三组研究人员研究了带有引发心脏疾病突变的胚胎。类似地,他们发现CRISPR-Cas9编辑会影响目标位点所在的染色体。

难以预测的DNA修复

这些意想不到的后果是DNA修复机制所带来的CRISPR-Cas9技术通过guide RNA将Cas9酶定位到目标位点,然后Cas9把两条DNA链切断,最后细胞自己会修复这个双链缺口。

基因的编辑是在修复过程中发生的。在一般情况下,细胞会用一种容易出错的机制来修复缺口,结果是少量碱基的插入或删除。如果人为地给细胞提供DNA模板,细胞有时会用这个模板来修补缺口,从而引入新的DNA序列。但是,DNA双链断裂还会导致DNA序列的混乱或染色体的缺失。

先前的研究已经表明,在小鼠胚胎或人类细胞中使用CRISPR编辑会造成巨大的、不必要的影响【5,6】但是,在人类胚胎中完成这项工作也很重要,因为不同的细胞类型可能对基因编辑做出不同的反应。

之前的研究通常只会关注单个或几个碱基的突变,从而遗漏了这种大规模的染色体变异。最新的三项研究专门寻找这些目标位点附近的大规模突变,科学界应更加认真地对待这一问题,而不是心存侥幸。

扑朔迷离的分子机制

三项研究提出了不同的机制以解释观察到的现象。弗朗西斯-克里克研究所和哥伦比亚大学的研究人员将胚胎中观察到的大部分变化归因于大量的缺失和重排。俄勒冈健康与科学大学/山东大学的研究小组认为,他们发现的变异中有40%由基因转换(gene conversions)引起。

原文链接:https://www.nature.com/articles/d41586-020-01906-4
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

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