一系列使用基因编辑工具 CRISPR–Cas9修饰人类胚胎 的实验揭示了这个过程如何在靶位点或附近对基因组造成大规模的、意想不到的改变。
这些研究于本月在预印本服务器bioRxiv上发布，尚未经过同行评审。但总的来说，它们让科学家们很好地了解了一些人所说的CRISPR–Cas9编辑中被低估的风险。之前的实验已经揭示，该工具可能会造成远离靶位点的 “脱靶”基因突变，但最新研究中确定的附近变化可能会被标准评估方法遗漏。
堪培拉澳大利亚国立大学的遗传学家盖坦·布尔吉奥说：“靶向效应更为重要，也更难消除。”
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这些安全担忧可能会影响到关于科学家是否应该编辑人类胚胎以预防遗传疾病的 持续辩论——这个过程是有争议的，因为它会对基因组产生永久性改变，并可以代代相传。“如果为了生殖目的的人类胚胎编辑或种系编辑是太空飞行，那么新数据就相当于火箭在发射台上起飞前就爆炸了，” 加州大学伯克利分校研究基因组编辑的费奥多尔·乌诺夫说，但他没有参与任何最新的研究。
意想不到的影响
研究人员在2015年进行了首次使用CRISPR编辑人类胚胎的实验。从那时起，世界各地的一些团队已经开始探索这个过程，其目的是对基因进行精确编辑。但此类研究仍然很少见，并且通常受到严格监管。
最新的研究强调了人们对人类胚胎如何修复基因组编辑工具切割的DNA知之甚少——英国纽卡斯尔大学的生殖生物学家玛丽·赫伯特说，这是CRISPR–Cas9编辑的关键步骤。“在我们开始用DNA切割酶攻击它之前，我们需要一份关于那里正在发生什么的基本路线图，”她说。
第一个预印本于6月5日由伦敦弗朗西斯·克里克研究所的发育生物学家凯西·尼坎及其同事在线发布。在该研究中，研究人员使用CRISPR–Cas9在POU5F1基因中制造突变，该基因对胚胎发育至关重要。在18个基因组编辑的胚胎中，约22%的胚胎含有影响POU5F1周围大片DNA区域的意外变化。它们包括DNA重排和数千个DNA字母的大规模缺失——远大于研究人员使用这种方法通常预期的结果。
另一个小组，由纽约市哥伦比亚大学的干细胞生物学家迪特尔·埃格利领导，研究了用携带一种名为EYS的基因中导致失明的突变的精子创造的胚胎。该团队使用CRISPR–Cas9试图纠正这种突变，但大约一半的受测胚胎丢失了染色体上的大片段——有时甚至是整个染色体——EYS基因就位于该染色体上。
第三个小组，由俄勒冈健康与科学大学波特兰分校的生殖生物学家舒赫拉特·米塔利波夫领导，研究了使用带有导致心脏疾病突变的精子制成的胚胎。该团队还发现了迹象表明，编辑影响了包含突变基因的染色体的大区域。
在所有研究中，研究人员仅将胚胎用于科学目的，而不是用于产生妊娠。这三篇预印本的主要作者拒绝与《自然》新闻团队讨论他们工作的细节，直到文章在同行评审期刊上发表。
不可预测的修复
这些变化是基因组编辑工具利用的DNA修复过程的结果。CRISPR–Cas9使用一小段RNA引导Cas9酶到基因组中具有相似序列的位点。然后，酶在该位点切割DNA的两条链，细胞的修复系统修复缺口。
编辑发生在修复过程中：最常见的情况是，细胞使用一种容易出错的机制封闭切口，这种机制可以插入或删除少量DNA字母。如果研究人员提供DNA模板，细胞有时可能会使用该序列来修复切口，从而实现真正的重写。但断裂的DNA也可能导致染色体大区域的重组或丢失。
先前在小鼠胚胎和其他类型的人类细胞中使用CRISPR 的工作已经证明，编辑染色体可能会导致大规模的、意想不到的影响。但乌诺夫说，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可能对基因组编辑的反应不同。
这种重排可能会在许多实验中被遗漏，这些实验通常寻找其他不需要的编辑，例如单个DNA字母的变化或仅几个字母的小插入或缺失。然而，最新的研究专门寻找靶位点附近的大规模缺失和染色体重排。“这是我们科学界的所有人，将立即开始比我们已经做的更认真对待的事情，”乌诺夫说。“这不是一次性的侥幸事件。”
基因变化
这三项研究对DNA变化如何产生提供了不同的解释。埃格利和尼坎的团队将他们在胚胎中观察到的大部分变化归因于大规模的缺失和重排。米塔利波夫的团队则表示，他们发现的变化中，高达40%是由一种称为基因转换的现象引起的，在这种现象中，DNA修复过程将一对染色体中的一个序列复制到另一个染色体上进行修复。
米塔利波夫及其同事在2017年报告了类似的发现，但一些研究人员对此表示怀疑，认为频繁的基因转换可能发生在胚胎中。他们指出，在假定基因转换发生时，母体和父体染色体并不相邻，并且该团队用于识别基因转换的分析方法可能一直在检测其他染色体变化，包括缺失。
埃格利及其同事在他们最新的预印本中直接测试了基因转换，但未能找到它们，布尔吉奥指出，米塔利波夫预印本中使用的分析方法与该团队在2017年使用的分析方法相似。首尔国立大学的遗传学家、米塔利波夫预印本的共同作者金进秀说，一种可能性是DNA断裂在染色体上不同位置的修复方式不同。
本文经许可转载，并于2020年6月25日首次发表。