CRISPR-Cas9基因編輯技術:熱度背後的冷思考

2020-12-05 賽業生物cyagen

近年來,CRISPR/Cas9基因編輯技術正在給整個科研界帶來革命性變化,該技術使用CRISPR系統將Cas9蛋白和嚮導RNA注入小鼠受精卵,就能輕鬆實現基因敲除,同時,注入Donor DNA則可實現基因敲入,甚至國際著名學術期刊Genome Biology有文章指出這項新技術將很快取代使用胚胎幹細胞的基因修飾,看起來小鼠胚胎幹細胞基因修飾技術的終結不可避免。

然而,事實是這樣嗎?

脫靶效應仍存爭議

CRISPR/Cas9這一被稱為「魔剪」的基因編輯工具在基因工程應用方面被寄予厚望。但是,脫靶效應這一有爭議的老問題一直影響著CRISPR/Cas9系統的應用。有文獻報導,CRISPR/Cas9的切割是通過gRNA與基因組位置之間20bp鹼基的配對,且配對鹼基的 5′ 端需要有PAM結構,再引導Cas9作用實現的,但是CRISPR/Cas9與靶位點識別的特異性主要依賴於gRNA與靠近PAM處10-12bp鹼基的配對,而其餘遠離PAM處8-10bp鹼基的錯配對靶位點的識別影響不明顯,這項研究直接說明了CRISPR/Cas9存在嚴重的脫靶性,即該技術可以發生非特異性切割,引起基因組非靶向位點的突變,這樣會造成研究結果的不確定性。

去年在Nature Methods雜誌上發表的研究「Unexpected mutations after CRISPR-Cas9 editing in vivo」通過全基因組測序分析表明CRISPR基因編輯會引入數百種不可預估的突變到基因組中,文章所指出的大規模脫靶問題,對CRISPR的應用提出了尖銳的挑戰,卻又在今年3月30日出現反轉並進行了撤稿處理。值得注意的是,這篇文章的第一作者Kellie A Schaefer和共同第一作者Wen-Hsuan Wu均同意撤稿,而包括通訊作者Alexander G Bassuk以及Vinit B Mahajan在內的其餘四位作者則不同意撤稿。這與通常的撤稿情況還是有所不同,一般的撤稿大多數情況貌似都是通訊作者要撤稿,這篇爭議性文章通訊作者則堅持了自己的意見。顯然,這篇文章在研究者們內部也有巨大分歧。

不過,也有研究表明,CRISPR的脫靶問題並沒那麼嚴重:bioRxiv期刊上的研究「Whole genome sequencing of multiple CRISPR-edited mouse lines suggests no excess mutations.」指出,多個採用CRISPR/Cas9技術基因編輯的小鼠品系經過全基因組測序後的結果顯示,CRISPR/Cas9技術可在生物水平上精準地對基因組進行編輯,並沒有引入很多非預期的脫靶突變。

從以上這些充滿爭議性的研究可以看出,在應用CRISPR/Cas9技術時,其脫靶效應仍需謹慎考慮。綜合來看,現階段修飾準確、效果穩定、脫靶率極低的ES打靶技術仍是研究者的較優選擇。

CRISPR/Cas9技術目前難以勝任複雜的基因編輯

另一方面,對於複雜的基因修飾(如條件性敲除、條件性點突變和大片段敲入等),CRISPR有先天不足,因為此時需要Donor DNA與受精卵中基因組的特定位置發生同源重組,而同源重組的效率很低。相反,ES打靶技術在這一方面因其flox區域範圍大、對於複雜結構寬容度高、打靶一次成功率高等特點,會有明顯的優勢。

CRISPR/Cas9專利之爭仍存爭議,商業化應用存在較大隱患

對於CRISPR/Cas9技術,還有一個值得關注的是其專利使用問題,CRISPR/Cas9專利是基於多家機構的研究成果,產權不明晰,一直存在所有權之爭。

2017年初,Broad研究所和合作者們被授權了關於真核生物細胞(包括人類細胞)的基因組編輯的CRISPR專利,而加州大學伯克利分校和合作者授權的專利是關於將CRISPR技術用於到cell-free系統中,並不是涉及真核細胞的基因組編輯。然而,後者對這一判決結果並不滿意,不滿意的結果就是啟動專利牴觸程序(interference proceeding)。通過該程序一個發明者可以接手另一個發明者的專利。

來自諮詢公司IPStudies2017年的數據顯示,目前還有763項和Cas9相關的專利,在這些專利中,有些聲稱擁有某些CRISPR/Cas9基因編輯方面的專利權,隨著時間過去,這些專利的擁有者或許也會試圖去維護他們的權利。

CRISPR專利的紛爭給一些商業機構帶來了巨大的困惑。 首先,這意味著在未獲得CRISPR/Cas9技術專利授權的商業機構購買基於CRISPR/Cas9技術提供的技術服務和產品,存在著較大的法律風險;其次,很難保證從一家專利所有人購買的專利能覆蓋所有應用需求。

應用CRISPR/Cas9技術發表的文章數量和質量低於ES打靶技術發表的文章

通過Google學術搜索2013年至今有關CRISPR/Cas9基因敲除和ES打靶技術有關的文章,搜索knockout 「embryonic stem cell」 or 「ES cell」 找到約17300條結果,搜索knockout 「crispr」 or 「cas9」 找到約16100條結果。

針對兩個搜索結果,隨機抽檢搜索列表中的100篇文獻,統計分析後發現採用ES打靶技術發表的文章平均影響因子比CRISPR/Cas9技術發表的文章高2.1 IF。因此,不論從文章質量還是數量,目前CRISPR/Cas9技術的影響力仍弱於金標準的ES打靶技術。不過不可因此否認CRISPR/Cas9技術未來潛在的影響力。

綜合以上幾個方面來看, 近年來一直處於風口浪尖的熱點CRISPR/Cas9基因編輯技術已經出現過多次類似的「危機」,雖然有很多優勢,但學界仍需對其保持冷靜態度,隨著不同國家、不同地域的研究者們在CRISPR領域孜孜探索,也許這次一系列事件對CRISPR來說並非危機,反而是推動其發展的重要力量,我們也希望科學家們可以不斷去探索,優化工藝,以期將基因組編輯技術被更廣泛應用於臨床的疾病治療。

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