全新检测基因编辑工具脱靶技术问世

2019-03-27 | 作者: 沈慧 | 标签: 基因编辑


杨辉研究员在显微镜下开展研究工作。沈 慧摄



科研人员在进行胚胎培养操作。沈 慧摄

提起基因编辑,除了科技伦理外,让科学家们心存疑虑的还有潜在技术风险——基因编辑脱靶。这会导致在基因靶点以外的地方产生错误切割,危害健康。

不过,近日有好消息传来:中国科学院神经所杨辉实验室团队与合作者开发了一套新型脱靶检测技术,能够准确、灵敏地检测到基因编辑方法是否会产生脱靶效应,有望开发出精度更高、安全性更大的新一代基因编辑工具,建立行业新标准

何谓脱靶?通俗点说,科学家们本来要对目标基因A进行“手术”,结果阴错阳差地敲掉了基因B,从而酿成不可预知的安全风险。然而悬在头顶的这把“达摩克利斯之剑”,看不见、摸不着,一直让生物学家们战战兢兢,却又无可奈何。

对此,杨辉实验室团队与合作者开发出的全新检测基因编辑工具脱靶技术,在精度、广度和准确性上远超之前的同类技术,有望开发出精度更高、安全性更大的新一代基因编辑工具,相关研究成果已在线发表在顶级期刊《科学》上。
  
基因脱靶:悬在头顶的“达摩克利斯之剑”


作为新一代基因编辑工具,“上帝的手术刀”CRISPR/Cas9自2012年被发明以来,一直以其高效性和特异性备受世人期待。在学术界看来,基于CRISPR/Cas9及其衍生工具的临床技术将为人类健康作出巨大贡献。

但一个尴尬的现实是,CRISPR/Cas9问世以来,其脱靶风险一直存在。“如果将CRISPR/Cas9及其衍生工具用于临床的话,脱靶效应可能会引起包括癌症在内的多种副作用。”中国科学院神经科学研究所研究员杨辉告诉经济日报记者。

在此之前,人们推出过多种检测脱靶的方案。不过,以前的方法或者依赖于计算机软件预测,可靠性无人得知;或者依赖于高通量测序检测DSB产生;还有体外检测的方法,会引入大量噪音,导致检测精确度大打折扣。例如:无法高灵敏性检测到脱靶突变,尤其是单核苷酸突变。因此,关于CRISPR/Cas9及其衍生工具的真实脱靶率,学术界一直存在争议。

能否找到一种能够突破之前限制的脱靶检测技术?这成为CRISPR/Cas9及其衍生工具能否最终走向临床的关键。

而科学技术归根结底要服务人类,对于基因编辑这样的技术,大家都很期待它能够投入到临床,为那些曾经无法得到有效治疗的患者带来曙光。然而,任何一种用到临床的疗法都必须要足够安全。“脱靶效应是基因编辑技术最大的风险来源,过去从来没有人能非常精确地测定脱靶效应,人们迫切希望可以找到一种既能够不依赖于脱靶位点预测,又能有足够信噪比的精密脱靶检测手段。反过来,只有拥有更精确、更灵敏的检测技术,我们才可能以此开发出更安全的基因编辑工具。”杨辉表示。
  
意外发现:单碱基突变技术存在严重脱靶风险


理想很美好,现实很残酷。如何提升检测脱靶效应的精度?答案是:彻底颠覆原有的脱靶检测手段。

为实现这一目标,杨辉研究组与合作者建立了一种名叫“GOTI”的脱靶检测技术。研究者们在小鼠受精卵分裂到二细胞期的时候,编辑一个卵裂球,并使用红色荧光蛋白将其标记。当小鼠胚胎发育到14.5天时,将整个小鼠胚胎消化成为单细胞,再利用细胞分选技术,基于红色荧光蛋白分选出基因编辑细胞和没有基因编辑的细胞,并进行全基因组测序,比较两组差异。这样就避免了单细胞体外扩增带来的噪音问题。

“由于实验组和对照组来自同一枚受精卵,理论上基因背景完全一致。因此,直接比对两组细胞的基因组,其中的差异基本就可以认定是由基因编辑工具造成的。这样便能发现此前脱靶检测手段无法发现的完全随机的脱靶位点。”该课题合作开发者、中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员左二伟解释。

那么,千辛万苦开发的新型脱靶检测技术效果如何?实践是检验真理的唯一标准。

第一个接受挑战的对象是最经典的基因编辑工具——CRISPR/Cas9。结果发现,设计良好的CRISPR/Cas9并没有明显的脱靶效应,这个结果结束了之前对于CRISPR/Cas9脱靶率的争议。

随后,科研团队检测了另一个同样被寄予厚望的CRISPR/Cas9衍生技术——BE3(单碱基编辑工具)。结果让人有些意外:这个系统由于可以精确引入点突变,在之前的研究中从未发现过具有明显的脱靶问题。然而,在GOTI的检测下研究团队发现,BE3存在非常严重的脱靶。而且,这些脱靶大多出现在传统脱靶预测认为不太可能出现脱靶的位点。换句话说,单碱基编辑技术有可能导致大量无法预测的脱靶,因而存在严重的安全风险。

进一步分析这些脱靶位点,研究团队发现,有部分位点出现在抑癌基因上。这意味着什么?“经典版本的BE3有着很大的隐患,目前不适合作为临床技术。要知道,在此之前,以BE3为代表的单碱基突变技术一直被认为是一种特别安全,几乎不会存在脱靶问题的新技术。”杨辉说,尽管从基础生物学理论上可以推断出这些技术很可能存有脱靶问题,但当时大家理所当然地认为它们很安全。

“我们的发现证实了以BE3为代表的部分基因编辑技术存在无法预测的脱靶风险,这在一定程度上可以让业界更冷静一点,以便更谨慎地重新审视这些新技术的安全性。”杨辉称。

未来方向:开发精准安全的基因编辑工具

在科学界看来,这一研究显著提高了基因编辑技术脱靶检测的敏感性,并且可以在不借助任何脱靶位点预测技术的情况下,发现之前的脱靶检测手段无法发现的完全随机的脱靶位点,为基因编辑工具的安全性评估带来了突破性的新工具。

不过,意义不止于此。“我们的工作建立了一种在精度、广度和准确性上远超之前的基因编辑脱靶检测技术,有望由此开发精度更高、安全性更高的新一代基因编辑工具,建立行业的新标准。”杨辉说。

针对现有BE3等单碱基突变技术存在脱靶的问题,中国科学院院士、中国科学院神经科学研究所所长蒲慕明表示,很多遗传疾病是单碱基突变导致的,因此,单碱基突变这个技术本身仍具有巨大价值。“正是因为已经建立新的检测技术,我们才知道如何去修正、改善BE3,从而开发安全性更高的新一代基因编辑工具。”

杨辉告诉记者,团队接下来将主要开展两项工作:一是进一步检测BE3除导致异常基因突变外,是否存在其他问题;二是在此基础上设法改进这一单碱基编辑工具,建立一种不会脱靶,也没有其他风险的单碱基突变技术,造福患者。

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来源:经济日报

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