編譯：莫寒
來自：Science
By Jon Cohen Feb. 28, 2019 , 2:00 PM
在過去的幾年裡， CRISPR基因編輯技術已經讓世界各地的生物實驗室感到震驚，因為它們可以精確地改變單個DNA的鹼基，有望對遺傳疾病進行修復，並改進農作物和牲畜的基因組。但是這樣的「鹼基編輯器」可能有一個嚴重的弱點。本周在《Science》網站上發表的兩項研究表明，一種鹼基編輯器會導致許多不必要的、潛在危險的「脫靶」問題，因為這種基因編輯技術可能帶來不可預測的基因變化。
在過去的幾年裡， CRISPR基因編輯技術已經讓世界各地的生物實驗室感到震驚，因為它們可以精確地改變單個DNA的鹼基，有望對遺傳疾病進行修復，並改進農作物和牲畜的基因組。但是這樣的「鹼基編輯器」可能有一個嚴重的弱點。本周在《Science》網站上發表的兩項研究表明，一種鹼基編輯器會導致許多不必要的、潛在危險的「脫靶」問題，因為這種基因編輯技術可能帶來不可預測的基因變化。
浙大醫學院汪浩教授曾表示，「因為CRISPR基因編輯技術雖然是比較成熟的基因編輯技術，但可能存在脫靶問題，也就是說具有潛在的風險，並不是只有好處沒有壞處的。這是一把雙刃劍。」
哈佛大學（Harvard University）的化學家劉大衛（David Liu）說，總體而言，這些錯誤仍然很少見，他們的團隊開發了第一代鹼基編輯，並且不太可能干擾該技術在實驗室的應用。但David和其他人說，他們非常擔心任何一個考慮在病人身上使用這項技術的人。首爾國立大學CRISPR研究員Jin-Soo Kim說：「現在重要的是，要確定哪一種成分會造成副作用的突變，以及如何減少或避免這類事情發生。」
CRISPR最初的形式是用一條RNA鏈引導CAS9酶到基因組中的特定位置。CAS9在DNA上起到分子剪切的作用，切斷了DNA的兩條鏈，細胞嘗試修複製動器會使基因失效。或者研究人員可以用切口插入一個新的DNA序列。鹼基編輯器將引導RNA連接到只切斷一條DNA鏈的CAS9上。這種分子複合物包括脫氨酶，這種酶能在化學上把一種鹼基轉變成另一種鹼基。因為這些編輯器比CRISPR本身更能控制特定的變化，研究人員並不認為它們會導致脫靶問題。
事實上，對於CRISP技術脫靶效應是否有解決之道，研究上早有進展。
此前，據物理學家組織網報導，CRISPR-Cas9 技術發明人之一詹妮弗·杜德納參與的研究團隊證實，抗 CRISPR 蛋白能將 CRISPR 導致的脫靶效應降低四分之一，其中一種名叫「AcrllA4」的蛋白甚至能將脫靶效應發生率減少 4 倍，而整個過程中目標位點的基因編輯沒有受到絲毫影響。
2016 年加州大學舊金山分校科學家約瑟夫·邦迪 - 德努米糰隊在李斯特細菌中發現了 四種能夠阻斷 CRISPR-Cas9 活性的蛋白質，其中包括 AcrllA4 蛋白。另一個團隊從一種腦膜炎細菌中發現了另外三種這類蛋白質。邦迪 - 德努米當時預言，這些蛋白質將成為 CRISPR 基因療法的標準組成部分，讓 CRISPR-Cas9 在基因編輯一段時間後「關閉其活性」，防止在不必要的位點隨意剪切，造成脫靶效應。
如果電閘只能開不能關，將會非常恐怖，因此關閉 Cas9 的活性跟開啟它一樣重要，對 CRISPR 最終治療應用來說，精確調控 Cas9 在什麼時間、什麼位置進行基因編輯，抗 CRISPR 蛋白將起到至關重要的作用。
現如今，兩組主要在中國的研究人員在水稻和小鼠胚胎上做獨立研究，在使用編輯將DNA鹼基胞嘧啶（C）轉變為胸腺嘧啶（T，DNA專有）的實驗中發現了大量的脫靶突變。另一位來自劉（David Liu）團隊的鹼基編輯將腺嘌呤（A）轉化為鳥嘌呤（G）的實驗中，沒有出現這樣的問題。
在水稻研究中，由中國科學院北京{the Chinese Academy of Sciences (簡稱：CAS) in Beijing}的植物生物學家高彩霞（Gao Caixia）領導的一個小組，他們在北京將不同鹼基編輯器改變過的77種植物和假對照或未經處理的植物進行了DNA對比。研究人員隨後評估了低水平的背景突變率。他們發現，胞嘧啶到胸腺嘧啶的鹼基編輯可能使脫靶突變的背景水平翻倍。Gao Caixia說：「我們必須對我們的結果非常小心，因為全世界都將密切關注。幸運的是，其他的團隊在老鼠身上做了一個非常相似的研究觀察，事實上，他們的系統甚至比我們的更好。」
在這項工作中，由中國科學院上海分院（CAS in Shanghai）和加州帕洛阿爾託史丹福大學（Stanford University in Palo Alto, California）的研究人員領導的一個多機構合作，通過在一個新形成的小鼠胚胎中的兩個細胞中的一個中注入一個鹼基編輯器，開發了一種巧妙的內置控制。通過比較這兩個細胞的後代，研究人員發現，由胞嘧啶鹼基編輯引起脫靶效應比背景突變率高出20倍以上，其中，一些突變發生在致癌基因組區域。
波士頓麻薩諸塞州總醫院的病理學家J.Keith Joung（J. Keith Joung, a pathologist at Massachusetts General Hospital in Boston）說，調整編輯的脫氨酶或其他成分可以降低其脫靶效應，他發明了一種常用的胞嘧啶鹼基編輯器，並與另一位劉姓研究者共同創建了一家生物醫學和農業鹼基編輯公司。Kim對該領域將迅速為胞嘧啶編輯找到解決方案持樂觀態度。「一個新的問題總是提供新的機會，」他說。
史丹福大學生物工程學家Stanley Qi（Stanley Qi, a Stanford University bioengineer）也創造了CRISPR的變體，他說一種新的生物技術有缺陷並不奇怪。「我不認為這些報導會降低我對鹼基編輯或基因編輯的熱情。」