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上海科研团队基因编辑安全评估获突破性进展,脱靶风险将“无处藏身”

上海两位青年科学家发现的一种新型脱靶检测技术登上了3月1日的《科学》杂志,为基因编辑工具的安全评估带来了突破性进展。该研究成果还及时叫停了美国公司一项即将上马的基因治疗实验,避免了给病人带来的不可预测风险。

图片来源:视觉中国

2015年,美国科学家在《自然·方法》杂志发表论文称:“风靡全球生物科技界的第三代基因编辑技术CRISPR/Cas9技术存在大范围脱靶现象。”用通俗的话来说,基因编辑“子弹”没有命中目标,却打到了其他的基因上。这可能会导致诸如癌症等不良的基因变异。

作为中科院神经科学研究所目前进所年龄最小的PI,杨辉研究员对这篇论文的结论有疑惑:“基于传统的需要扩增大量基因的检测手段,并不能准确地表现出脱靶数量,基因的变异有可能是基因扩增产生的自然变异,即遗传背景的影响。”他与博士后左二伟两人关在实验室里,讨论了一个小时,一致决定要换一种思路设计基因编辑检测方法。

如今,源自这两位青年科学家智慧碰撞的一种新型脱靶检测技术登上了3月1日的《科学》杂志,研究结果不仅证实了杨辉当初的怀疑,更为基因编辑工具的安全评估带来了突破性进展。该研究成果还及时叫停了美国公司一项即将上马的基因治疗实验,避免了给病人带来的不可预测风险。

颠覆原有基因编辑脱靶检测手段

对基因进行编辑,一直是生命科学研究的热门领域。尤其是2012年CRISPR/Cas9技术发明之后,基因编辑的技术门槛变得越来越低。

然而,基因编辑并不是百分之百安全的。

尽管有些基因编辑“子弹”安装了“导航”蛋白,但依然会有一部分“子弹”偏离目标,改变了其他正常的基因,从而导致癌症等副作用。

这种脱靶的风险,使得人们在期待基因编辑治疗遗传疾病的同时,也对基因编辑技术充满了怀疑,甚至是恐惧。

因此,科学家们需要建立一套方法,对基因编辑工具进行风险评估,以确认这些工具是否会导致过多的不可预测的基因变异的产生。

如何检测脱靶?科学家们推出过多种办法,包括计算机软件预测、高通量测序检测、体外检测等。但这些方法的灵敏度都不是很高,尤其是对单碱基突变无能为力。比如,高通量测序,需要细胞进行大量扩增,而这一过程中就会产生大量基因变异,就如同人类的兄弟姐妹之间也会存在数千个单碱基差别,繁殖很多代之后,这些差异会变得越来越大。如果把这种差别看作是脱靶造成的,就会得出错误的结论。

如今已是中科院神经科学研究所(中科院脑科学与智能技术卓越创新中心)、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室、中国科学院灵长类神经生物学重点实验室研究员的杨辉,与中国科学院上海营养与健康研究所隶属的计算生物学研究所(中国科学院-马普学会计算生物学伙伴研究所)李亦学研究组、斯坦福大学遗传学系及中国农业科学院深圳农业基因组研究所的合作者们,一起建了一种新型脱靶检测技术——GOTI,测底颠覆了原有的脱靶检测手段。

他们在体积远远大于正常细胞的小鼠受精卵上做实验,在受精卵分裂成2个时,基因编辑其中的1个,并用红色荧光蛋白进行标记。在编辑之前,这2个细胞拥有完全相同的基因组,如同人类的同卵双胞胎。编辑之后,让2个细胞继续分裂,到小鼠胚胎发育到14.5天时,基于红色荧光蛋白,筛选出基因编辑细胞和没有基因编辑的对照细胞。

由于这2组细胞基因背景完全一致,无需基因组体外扩增,避免了遗传背景的干扰,同时还可以清楚地展现单个碱基的突变,GOTI因此展现了强大灵敏性,对数量极少的基因编辑脱靶也可感知。

及时发现单碱基编辑工具存在大量脱靶

杨辉实验室和合作者迫不及待地利用GOTI对目前热门的基因编辑工具进行检测,结果令人大吃一惊。

此前被报道会导致大量基因突变致癌的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。“CRISPR/Cas9的导航定位做得不错。”杨辉表示,“但CRISPR/Cas9在基因编辑时,要切开DNA双链再缝合,这一过程也会导致基因突变。”

BE3可以精确进行单碱基编辑,因此被人们寄予厚望,称之为第四代基因编辑技术。在之前的研究中从未发现BE3有明显的脱靶问题。然而在GOTI的检测下发现,BE3存在非常严重的脱靶,脱靶数量是自然发生突变数量的20倍以上;而且这些脱靶随机分布,不可预测。团队分析后认为,BE3的脱靶位点有部分出现在抑癌基因上,因此经典版本的BE3有着很大的隐患,目前不适合作为临床技术。

此时,杨辉团队得知美国的一家基因编辑公司正在申请利用BE3治疗地中海贫血症。尽管论文还在审核之中,但杨辉和合作者们毫不犹豫地将科研成果告知了这家公司,为这一可能带来严重后果的基因编辑临床应用实验踩下了“刹车”。

“全球7000种罕见病中,80%是单基因遗传病,基因编辑有着巨大的应用前景。”杨辉说,“例如对杜氏营养不良病人,只需要改变几个碱基就能挽救其生命,目前已经开展基因治疗,并取得效果。”有预测也显示,到2022年将有40种基因治疗新药上市。

“基因治疗的关键在于,我们要确保基因编辑的安全性。”中科院神经科学研究所所长、中科院院士蒲慕明说,有了在精度、广度和准确性上远超越之前的基因编辑脱靶检测技术,可以开发出精度更高、安全性更大的新一代基因编辑工具。

事实上,包括杨辉团队在内的不少中国科学家团队已经着手开始构建更为安全的基因编辑工具。在欧美掌握第二、第三代基因编辑工具核心技术之后,第四代基因编辑工具或许将深深地刻上中国科学家的智慧。

来源:上海科协

原标题:基因编辑安全评估获突破性进展 脱靶风险将“无处藏身”

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