一系列使用基因編輯工具 CRISPR–Cas9修飾人類胚胎 的實驗揭示了這個過程如何在靶位點或附近對基因組造成大規模的、意想不到的改變。
這些研究於本月在預印本伺服器bioRxiv上釋出，尚未經過同行評審。但總的來說，它們讓科學家們很好地瞭解了一些人所說的CRISPR–Cas9編輯中被低估的風險。之前的實驗已經揭示，該工具可能會造成遠離靶位點的 “脫靶”基因突變，但最新研究中確定的附近變化可能會被標準評估方法遺漏。
堪培拉澳大利亞國立大學的遺傳學家蓋坦·布林吉奧說：“靶向效應更為重要，也更難消除。”
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這些安全擔憂可能會影響到關於科學家是否應該編輯人類胚胎以預防遺傳疾病的 持續辯論——這個過程是有爭議的，因為它會對基因組產生永久性改變，並可以代代相傳。“如果為了生殖目的的人類胚胎編輯或種系編輯是太空飛行，那麼新資料就相當於火箭在發射臺上起飛前就爆炸了，” 加州大學伯克利分校研究基因組編輯的費奧多爾·烏諾夫說，但他沒有參與任何最新的研究。
意想不到的影響
研究人員在2015年進行了首次使用CRISPR編輯人類胚胎的實驗。從那時起，世界各地的一些團隊已經開始探索這個過程，其目的是對基因進行精確編輯。但此類研究仍然很少見，並且通常受到嚴格監管。
最新的研究強調了人們對人類胚胎如何修復基因組編輯工具切割的DNA知之甚少——英國紐卡斯爾大學的生殖生物學家瑪麗·赫伯特說，這是CRISPR–Cas9編輯的關鍵步驟。“在我們開始用DNA切割酶攻擊它之前，我們需要一份關於那裡正在發生什麼的基本路線圖，”她說。
第一個預印本於6月5日由倫敦弗朗西斯·克里克研究所的發育生物學家凱西·尼坎及其同事線上釋出。在該研究中，研究人員使用CRISPR–Cas9在POU5F1基因中製造突變，該基因對胚胎髮育至關重要。在18個基因組編輯的胚胎中，約22%的胚胎含有影響POU5F1周圍大片DNA區域的意外變化。它們包括DNA重排和數千個DNA字母的大規模缺失——遠大於研究人員使用這種方法通常預期的結果。
另一個小組，由紐約市哥倫比亞大學的幹細胞生物學家迪特爾·埃格利領導，研究了用攜帶一種名為EYS的基因中導致失明的突變的精子創造的胚胎。該團隊使用CRISPR–Cas9試圖糾正這種突變，但大約一半的受測胚胎丟失了染色體上的大片段——有時甚至是整個染色體——EYS基因就位於該染色體上。
第三個小組，由俄勒岡健康與科學大學波特蘭分校的生殖生物學家舒赫拉特·米塔利波夫領導，研究了使用帶有導致心臟疾病突變的精子製成的胚胎。該團隊還發現了跡象表明，編輯影響了包含突變基因的染色體的大區域。
在所有研究中，研究人員僅將胚胎用於科學目的，而不是用於產生妊娠。這三篇預印本的主要作者拒絕與《自然》新聞團隊討論他們工作的細節，直到文章在同行評審期刊上發表。
不可預測的修復
這些變化是基因組編輯工具利用的DNA修復過程的結果。CRISPR–Cas9使用一小段RNA引導Cas9酶到基因組中具有相似序列的位點。然後，酶在該位點切割DNA的兩條鏈，細胞的修復系統修復缺口。
編輯發生在修復過程中：最常見的情況是，細胞使用一種容易出錯的機制封閉切口，這種機制可以插入或刪除少量DNA字母。如果研究人員提供DNA模板，細胞有時可能會使用該序列來修復切口，從而實現真正的重寫。但斷裂的DNA也可能導致染色體大區域的重組或丟失。
先前在小鼠胚胎和其他型別的人類細胞中使用CRISPR 的工作已經證明，編輯染色體可能會導致大規模的、意想不到的影響。但烏諾夫說，在人類胚胎中證明這項工作也很重要，因為不同的細胞型別可能對基因組編輯的反應不同。
這種重排可能會在許多實驗中被遺漏，這些實驗通常尋找其他不需要的編輯，例如單個DNA字母的變化或僅幾個字母的小插入或缺失。然而，最新的研究專門尋找靶位點附近的大規模缺失和染色體重排。“這是我們科學界的所有人，將立即開始比我們已經做的更認真對待的事情，”烏諾夫說。“這不是一次性的僥倖事件。”
基因變化
這三項研究對DNA變化如何產生提供了不同的解釋。埃格利和尼坎的團隊將他們在胚胎中觀察到的大部分變化歸因於大規模的缺失和重排。米塔利波夫的團隊則表示，他們發現的變化中，高達40%是由一種稱為基因轉換的現象引起的，在這種現象中，DNA修復過程將一對染色體中的一個序列複製到另一個染色體上進行修復。
米塔利波夫及其同事在2017年報告了類似的發現，但一些研究人員對此表示懷疑，認為頻繁的基因轉換可能發生在胚胎中。他們指出，在假定基因轉換髮生時，母體和父體染色體並不相鄰，並且該團隊用於識別基因轉換的分析方法可能一直在檢測其他染色體變化，包括缺失。
埃格利及其同事在他們最新的預印本中直接測試了基因轉換，但未能找到它們，布林吉奧指出，米塔利波夫預印本中使用的分析方法與該團隊在2017年使用的分析方法相似。首爾國立大學的遺傳學家、米塔利波夫預印本的共同作者金進秀說，一種可能性是DNA斷裂在染色體上不同位置的修復方式不同。
本文經許可轉載，並於2020年6月25日首次發表。