基因編輯胚胎導致大量DNA突變和重組!

2020-11-23 健康界

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。
這些研究本月發表在預印本伺服器bioRxiv上，還沒有經過同行評審。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。
坎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於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。"如果出於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，新數據是相當於在發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，但他並沒有參與任何一項最新的研究。
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："在我們開始用核酸酶攻擊它之前，我們需要一個基本的路線圖來了解那裡發生了什麼。"
倫敦弗朗西斯克裡克研究所的發育生物學家Kathy Niakan和她的同事於6月5日在網上發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基因中製造突變，該基因對胚胎發育很重要。
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重排和數千個DNA鹼基的大量缺失--遠遠超出了研究人員使用這種方法的通常預期。
圖片來源：Pascal Goetgheluck Science Photo Library
另一個由紐約哥倫比亞大學的幹細胞生物學家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製成的胚胎。這個團隊還發現了編輯會影響含有突變基因的染色體的大部分區域的跡象。
在所有的研究中，研究人員僅將胚胎用於科學目的，而不是用於懷孕。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，直到這些文章在同行評審的期刊上發表。
這些變化是基因組編輯工具利用DNA修復過程的結果。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。然後，這種酶在那個位置切斷兩條DNA鏈，細胞的修復系統就會修復這個缺口。
編輯是在修復過程中發生的：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鹼基。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鹼基的改變，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。這不是一次性的僥倖。"
這三項研究對DNA突變的產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於大量的缺失和重排。Mitalipov的研究小組說，他們發現的變異中有40%是由一種叫做基因轉換的現象引起的，即DNA修復過程從一對染色體複製一個序列來修復另一對。
Mitalipov和他的同事在2017年報告了類似的發現，但一些研究人員對胚胎中可能發生頻繁的基因轉換持懷疑態度。他們注意到，在假定發生基因轉換時，母系和父系染色體並不是相鄰的，而且研究小組用來鑑定基因轉換的化驗可能已經發現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斷裂的癒合方式不同。
CRISPR gene editing in human embryos wreaks chromosomal mayhem
Alanis-Lobato， G. et al. Preprint at bioRxiv https：//doi.org/0.1101/2020.06.05.135913 (2020).
Zuccaro， M. V. et al. Reading frame restoration at the EYS locus， and allele-specific chromosome removal after Cas9 cleavage in human embryos Preprint at bioRxiv https：//doi.org/10.1101/2020.06.17.149237 (2020).
Liang， D. et al. FREQUENT GENE CONVERSION IN HUMAN EMBRYOS INDUCED BY DOUBLE STRAND BREAKS Preprint at bioRxiv https：//doi.org/10.1101/2020.06.19.162214 (2020).
Adikusuma， F.， Piltz， S.， Corbett， M.A. et al. Large deletions induced by Cas9 cleavage. Nature 560， E8-E9 (2018). https：//doi.org/10.1038/s41586-018-0380-z
Kosicki， M.， Tomberg， K. & Bradley， A. Repair of double-strand breaks induced by CRISPR-Cas9 leads to large deletions and complex rearrangements. Nat Biotechnol 36， 765-771 (2018). https：//doi.org/10.1038/nbt.4192
Ma， H.， Marti-Gutierrez， N.， Park， S. et al. Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos. Nature 548， 413-419 (2017). https：//doi.org/10.1038/nature23305
Egli， D.， Zuccaro， M.V.， Kosicki， M. et al. Inter-homologue repair in fertilized human eggs？. Nature 560， E5-E7 (2018). https：//doi.org/10.1038/s41586-018-0379-5

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