新进展!如何解决CRISPR技术的脱靶效应?


编译:莫寒

来自:Science

By Jon Cohen Feb. 28, 2019 , 2:00 PM

在过去的几年里, CRISPR基因编辑技术已经让世界各地的生物实验室感到震惊,因为它们可以精确地改变单个DNA的碱基,有望对遗传疾病进行修复,并改进农作物和牲畜的基因组。但是这样的“碱基编辑器”可能有一个严重的弱点。本周在《Science》网站上发表的两项研究表明,一种碱基编辑器会导致许多不必要的、潜在危险的“脱靶”问题,因为这种基因编辑技术可能带来不可预测的基因变化。

在过去的几年里, CRISPR基因编辑技术已经让世界各地的生物实验室感到震惊,因为它们可以精确地改变单个DNA的碱基,有望对遗传疾病进行修复,并改进农作物和牲畜的基因组。但是这样的“碱基编辑器”可能有一个严重的弱点。本周在《Science》网站上发表的两项研究表明,一种碱基编辑器会导致许多不必要的、潜在危险的“脱靶”问题,因为这种基因编辑技术可能带来不可预测的基因变化。

浙大医学院汪浩教授曾表示,“因为CRISPR基因编辑技术虽然是比较成熟的基因编辑技术,但可能存在脱靶问题,也就是说具有潜在的风险,并不是只有好处没有坏处的。这是一把双刃剑。”

哈佛大学(Harvard University)的化学家刘大卫(David Liu)说,总体而言,这些错误仍然很少见,他们的团队开发了第一代碱基编辑,并且不太可能干扰该技术在实验室的应用。但David和其他人说,他们非常担心任何一个考虑在病人身上使用这项技术的人。首尔国立大学CRISPR研究员Jin-Soo Kim说:“现在重要的是,要确定哪一种成分会造成副作用的突变,以及如何减少或避免这类事情发生。”

CRISPR最初的形式是用一条RNA链引导CAS9酶到基因组中的特定位置。CAS9在DNA上起到分子剪切的作用,切断了DNA的两条链,细胞尝试修复制动器会使基因失效。或者研究人员可以用切口插入一个新的DNA序列。碱基编辑器将引导RNA连接到只切断一条DNA链的CAS9上。这种分子复合物包括脱氨酶,这种酶能在化学上把一种碱基转变成另一种碱基。因为这些编辑器比CRISPR本身更能控制特定的变化,研究人员并不认为它们会导致脱靶问题。

事实上,对于CRISP技术脱靶效应是否有解决之道,研究上早有进展。

此前,据物理学家组织网报道,CRISPR-Cas9 技术发明人之一詹妮弗·杜德纳参与的研究团队证实,抗 CRISPR 蛋白能将 CRISPR 导致的脱靶效应降低四分之一,其中一种名叫“AcrllA4”的蛋白甚至能将脱靶效应发生率减少 4 倍,而整个过程中目标位点的基因编辑没有受到丝毫影响。

2016 年加州大学旧金山分校科学家约瑟夫·邦迪 - 德努米团队在李斯特细菌中发现了 四种能够阻断 CRISPR-Cas9 活性的蛋白质,其中包括 AcrllA4 蛋白。另一个团队从一种脑膜炎细菌中发现了另外三种这类蛋白质。邦迪 - 德努米当时预言,这些蛋白质将成为 CRISPR 基因疗法的标准组成部分,让 CRISPR-Cas9 在基因编辑一段时间后“关闭其活性”,防止在不必要的位点随意剪切,造成脱靶效应。

如果电闸只能开不能关,将会非常恐怖,因此关闭 Cas9 的活性跟开启它一样重要,对 CRISPR 最终治疗应用来说,精确调控 Cas9 在什么时间、什么位置进行基因编辑,抗 CRISPR 蛋白将起到至关重要的作用。

现如今,两组主要在中国的研究人员在水稻和小鼠胚胎上做独立研究,在使用编辑将DNA碱基胞嘧啶(C)转变为胸腺嘧啶(T,DNA专有)的实验中发现了大量的脱靶突变。另一位来自刘(David Liu)团队的碱基编辑将腺嘌呤(A)转化为鸟嘌呤(G)的实验中,没有出现这样的问题。

在水稻研究中,由中国科学院北京{the Chinese Academy of Sciences (简称:CAS) in Beijing}的植物生物学家高彩霞(Gao Caixia)领导的一个小组,他们在北京将不同碱基编辑器改变过的77种植物和假对照或未经处理的植物进行了DNA对比。研究人员随后评估了低水平的背景突变率。他们发现,胞嘧啶到胸腺嘧啶的碱基编辑可能使脱靶突变的背景水平翻倍。Gao Caixia说:“我们必须对我们的结果非常小心,因为全世界都将密切关注。幸运的是,其他的团队在老鼠身上做了一个非常相似的研究观察,事实上,他们的系统甚至比我们的更好。”

在这项工作中,由中国科学院上海分院(CAS in Shanghai)和加州帕洛阿尔托斯坦福大学(Stanford University in Palo Alto, California)的研究人员领导的一个多机构合作,通过在一个新形成的小鼠胚胎中的两个细胞中的一个中注入一个碱基编辑器,开发了一种巧妙的内置控制。通过比较这两个细胞的后代,研究人员发现,由胞嘧啶碱基编辑引起脱靶效应比背景突变率高出20倍以上,其中,一些突变发生在致癌基因组区域。

波士顿马萨诸塞州总医院的病理学家J.Keith Joung(J. Keith Joung, a pathologist at Massachusetts General Hospital in Boston)说,调整编辑的脱氨酶或其他成分可以降低其脱靶效应,他发明了一种常用的胞嘧啶碱基编辑器,并与另一位刘姓研究者共同创建了一家生物医学和农业碱基编辑公司。Kim对该领域将迅速为胞嘧啶编辑找到解决方案持乐观态度。“一个新的问题总是提供新的机会,”他说。

斯坦福大学生物工程学家Stanley Qi(Stanley Qi, a Stanford University bioengineer)也创造了CRISPR的变体,他说一种新的生物技术有缺陷并不奇怪。“我不认为这些报道会降低我对碱基编辑或基因编辑的热情。”

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