三項研究顯示大量的DNA缺失和重組增加了對遺傳基因組編輯的安全性擔憂。
使用CRISPR-Cas9基因編輯工具修改人類胚胎的一系列實驗，揭示了該過程如何在目標位點或附近對基因組造成不必要的巨大改變。
這些研究本月發(fā)表在預印本服務器bioRxiv上，還沒有經(jīng)過同行評審。但綜合起來，它們讓科學家們對一些人所說的CRISPR-Cas9編輯的風險有了一個很好的認識。先前的實驗表明，該工具可以使'脫靶'基因突變遠離靶點，但在最近的研究中確定的變化可能被標準的評估方法忽略。
堪培拉澳大利亞國立大學的遺傳學家Gaetan Burgio說：'靶向效應更重要，也更難消除。'
這些安全方面的擔憂可能會給正在進行的關于科學家是否應該編輯人類胚胎來預防遺傳疾病的爭論提供信息。這個過程之所以有爭議，是因為它對基因組造成了永久性的改變，這種改變可以代代相傳。'如果出于生殖目的或生殖系編輯的人類胚胎基因編輯比作太空飛行，新數(shù)據(jù)是相當于在發(fā)射臺上的火箭在起飛之前爆炸了。'加州大學伯克利分校研究基因編輯的Fyodor Urnov說道，他但并沒有參與任何一項最新的研究。
意料之外的影響
2015年，研究人員首次使用CRISPR編輯人類胚胎。從那時起，世界各地的一些團隊開始探索這個過程，目的是對基因進行精確的編輯。但這樣的研究仍然很少，而且通常受到嚴格的監(jiān)管。
英國紐卡斯爾大學的生殖生物學家Mary Herbert說，最新的研究強調(diào)了人類胚胎如何修復被基因組編輯工具切割的DNA，這是CRISPR-Cas9編輯的關鍵一步。
她說：'在我們開始用DNA切割酶攻擊它之前，我們需要一個基本的路線圖來了解那里發(fā)生了什么。'
倫敦弗朗西斯克里克研究所的發(fā)育生物學家Kathy Niakan和她的同事于6月5日在網(wǎng)上發(fā)布了第一篇預印本研究。在這項研究中，研究人員使用CRISPR-Cas9在POU5F1基因中制造突變，該基因?qū)ε咛グl(fā)育很重要。在18個基因組編輯的胚胎中，約22%的胚胎含有不需要的突變，這些突變會影響POU5F1周圍DNA。它們包括DNA重排和數(shù)千個DNA字母的大量缺失--遠遠超出了研究人員使用這種方法的通常預期。
另一個由紐約哥倫比亞大學的干細胞生物學家Dieter Egli領導的研究小組，研究了由帶有導致失明的EYS基因突變的精子形成的胚胎。研究小組使用CRISPR-Cas9試圖糾正這種突變，但是大約一半的被測胚胎丟失了大量的染色體片段--有時甚至是整個染色體--EYS所在的位置。
由波特蘭的俄勒岡健康與科學大學的生殖生物學家Shoukhrat Mitalipov領導的第三組研究人員研究了使用會導致心臟疾病的突變精子制成的胚胎。這個團隊還發(fā)現(xiàn)了編輯會影響含有突變基因的染色體的大部分區(qū)域的跡象。
在所有的研究中，研究人員僅將胚胎用于科學目的，而不是用于懷孕。三份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(jié)，直到這些文章在同行評審的期刊上發(fā)表。
不可預知的修復
這些變化是基因組編輯工具利用DNA修復過程的結(jié)果。CRISPR-Cas9使用一小段RNA將Cas9酶引導到基因組中具有類似序列的位置。然后，這種酶在那個位置切斷兩條DNA鏈，細胞的修復系統(tǒng)就會修復這個缺口。
編輯是在修復過程中發(fā)生的：通常情況下，細胞會用一種容易出錯的機制來封閉傷口，這種機制可以插入或刪除少量的DNA字母。如果研究人員提供一個DNA模板，細胞有時可能會使用這個序列來修補傷口，從而導致真正的重寫。但是斷裂的DNA也會導致重組或者染色體的一大塊區(qū)域的丟失。
之前在小鼠胚胎和其他種類的人類細胞中使用CRISPR的工作已經(jīng)證明，編輯染色體會造成巨大的、不需要的影響。但是Urnov說，在人類胚胎中演示這項工作也很重要，因為不同的細胞類型可能對基因組編輯做出不同的反應。
這樣的重新排列在許多實驗中可能會被遺漏，這些實驗通常會尋找其他不想要的編輯，比如單個DNA字母的改變，或者只有幾個字母的小的插入或刪除。然而，最近的研究專門尋找目標位點附近的大量缺失和染色體重排。Urnov說：'我們科學界的所有人都將立即開始更加認真地對待這一問題。這不是一次性的僥幸。'
基因變化
這三項研究對DNA突變的產(chǎn)生提供了不同的解釋。Egli和Niakan的團隊將胚胎中觀察到的大部分變化歸因于大量的缺失和重排。Mitalipov的研究小組說，他們發(fā)現(xiàn)的變異中有40%是由一種叫做基因轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象引起的，即DNA修復過程從一對染色體復制一個序列來修復另一對。
Mitalipov和他的同事在2017年報告了類似的發(fā)現(xiàn)，但一些研究人員對胚胎中可能發(fā)生頻繁的基因轉(zhuǎn)換持懷疑態(tài)度。他們注意到，在假定發(fā)生基因轉(zhuǎn)換時，母系和父系染色體并不是相鄰的，而且研究小組用來鑒定基因轉(zhuǎn)換的化驗可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其他的染色體變化，包括缺失。
Egli和他的同事直接測試了他們最新的預印本中的基因轉(zhuǎn)化，但沒有找到它們。Burgio指出，在Mitalipov課題組預印本中使用的分析方法與他們的團隊在2017年使用的方法相似。首爾國立大學的遺傳學家、Mitalipov預印本的合著者Jin-Soo Kim說，一種可能性是，在染色體上不同位置的DNA斷裂的愈合方式不同。
參考資料：
CRISPR gene editing in human embryos wreaks chromosomal mayhem
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