人类胚胎CRISPR基因编辑造成染色体损伤

一系列使用基因编辑工具CRISPR-Cas9修改人类胚胎的实验揭示了这一过程如何对目标位点或附近的基因组进行大规模的、不必要的改变。

这些研究本月发表在印前服务器BioRxiv上，尚未经过同行评议1、2、3。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编辑被低估的风险。之前的实验已经表明，该工具可以使远离目标位置的“偏离目标”的基因突变，但最新研究中发现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(Australian National University)的遗传学家盖坦·伯吉奥(Gaétan Burgio)说：“目标效应更重要，也更难消除。”

这些安全方面的担忧可能会影响正在进行的关于科学家是否应该编辑人类胚胎以预防遗传病的辩论-这一过程是有争议的，因为它会给基因组带来永久性的变化，可以代代相传。费奥多·乌尔诺夫(Fyodor Urnov)在加州大学伯克利分校(University of California，Berkeley)研究基因组编辑，但他没有参与任何最新的研究。他说：“如果出于生殖目的进行的人类胚胎编辑或生殖系编辑是太空飞行，那么新的数据相当于在起飞前让火箭在发射台爆炸。”

研究人员在2015年进行了第一次使用CRISPR编辑人类胚胎的实验。从那时起，世界各地的几个团队开始探索这一过程，目的是对基因进行精确编辑。但这样的研究仍然很少见，而且通常受到严格的监管。

英国纽卡斯尔大学的生殖生物学家玛丽·赫伯特(Mary Herbert)表示，最新的研究突显出，人们对人类胚胎如何修复由基因组编辑工具切割的DNA知之甚少-这是CRISPR-Cas9编辑的关键一步。“在我们开始用DNA切割酶打击它之前，我们需要一个关于那里正在发生什么的基本路线图，”她说。

伦敦弗朗西斯·克里克研究所(Francis Crick Institute)的发育生物学家凯西·尼亚坎(Kathy Niakan)和她的同事于6月5日在网上发布了第一份预印本。在研究1中，研究人员使用CRISPR-Cas9在Pou5f1基因中产生突变，Pou5f1基因对胚胎发育非常重要。在18个基因组编辑的胚胎中，大约22%的胚胎含有不必要的变化，影响了Pou5f1周围的大片DNA。它们包括DNA重排和数千个DNA字母的大量删除-远远超过使用这种方法的研究人员通常想要的程度。

由纽约市哥伦比亚大学干细胞生物学家迪特尔·埃格利(Dieter Egli)领导的另一个研究小组研究了由精子产生的胚胎，这些精子携带一种名为EYS2的基因的致盲突变。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EYS所在的大段染色体--有时还丢失了整个染色体。

第三个小组由波特兰俄勒冈健康与科学大学的生殖生物学家Shoukhrat Mitalipov领导，他们研究了用突变的精子制造的胚胎3。该小组还发现了编辑影响包含突变基因的染色体大片区域的迹象。

在所有的研究中，研究人员只将胚胎用于科学目的，而不是用于怀孕。这三份预印本的主要作者拒绝与“自然”的新闻团队讨论他们工作的细节，直到这些文章发表在同行评议的期刊上。

这些变化是基因组编辑工具利用DNA修复过程的结果。CRISPR-Cas9使用一小段RNA将Cas9酶定向到基因组中具有相似序列的位置。然后，该酶在该部位切割DNA的两条链，细胞的修复系统修复缝隙。

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来密封伤口，这种机制可以插入或删除少量的DNA字母。如果研究人员提供了DNA模板，细胞有时可能会使用该序列来修复伤口，从而导致真正的重写。但断裂的DNA也可能导致染色体的大片区域洗牌或丢失。

之前在小鼠胚胎和其他类型的人类细胞中使用CRISPR的研究已经证明，编辑染色体可能会导致巨大的、不必要的影响4、5。但乌尔诺夫说，在人类胚胎中展示这项工作也很重要，因为不同的细胞类型对基因组编辑的反应可能会有所不同。

这样的重排在许多实验中可能会遗漏，这些实验通常会寻找其他不需要的编辑，比如单个DNA字母的改变，或者只有几个字母的小插入或删除。然而，最新的研究专门寻找目标位点附近的大片段缺失和染色体重排。乌尔诺夫说：“我们科学界的所有人都将立即开始认真对待这件事。”“这不是一次性的侥幸。”

这三项研究对DNA变化是如何发生的提供了不同的解释。Egli和Niakan的团队将在他们胚胎中观察到的大部分变化归因于大量的缺失和重排。相反，米塔利波夫的研究小组表示，他们发现的高达40%的变化是由一种名为基因转换的现象引起的，在这种现象中，DNA修复过程从一对染色体中复制一段序列，以修复另一条染色体。

米塔里波夫和他的同事在2017年6报告了类似的发现，但一些研究人员对胚胎中是否会发生频繁的基因转换表示怀疑。他们指出，假设发生基因转换时，母系和父系染色体并不相邻，研究小组用来识别基因转换的分析可能会发现其他染色体变化，包括缺失4和7。

Egli和他的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，Burgio指出，米塔利波夫预印本中使用的分析方法与该团队在2017年使用的类似。首尔国立大学的遗传学家、米塔里波夫预印本的合著者金振秀(jin-soo Kim，音译)说，一种可能性是，DNA断裂在染色体上的不同位置得到了不同的修复。