全新檢測基因編輯工具脫靶技術問世——
讓基因編輯脫靶無處躲藏
提起基因編輯，除了科技倫理外，讓科學家們心存疑慮的還有潛在技術風險——基因編輯脫靶。這會導致在基因靶點以外的地方產生錯誤切割，危害健康。
不過，近日有好消息傳來：中國科學院神經所楊輝實驗室團隊與合作者開發了一套新型脫靶檢測技術，能夠準確、靈敏地檢測到基因編輯方法是否會產生脫靶效應，有望開發出精度更高、安全性更大的新一代基因編輯工具，建立行業新標準。
何謂脫靶？通俗點說，科學家們本來要對目標基因A進行「手術」，結果陰錯陽差地敲掉了基因B，從而釀成不可預知的安全風險。然而懸在頭頂的這把「達摩克利斯之劍」，看不見、摸不著，一直讓生物學家們戰戰兢兢，卻又無可奈何。
對此，楊輝實驗室團隊與合作者開發出的全新檢測基因編輯工具脫靶技術，在精度、廣度和準確性上遠超之前的同類技術，有望開發出精度更高、安全性更大的新一代基因編輯工具，相關研究成果已在線發表在頂級期刊《科學》上。
基因脫靶：
懸在頭頂的「達摩克利斯之劍」
作為新一代基因編輯工具，「上帝的手術刀」CRISPR/Cas9自2012年被發明以來，一直以其高效性和特異性備受世人期待。在學術界看來，基於CRISPR/Cas9及其衍生工具的臨床技術將為人類健康作出巨大貢獻。
但一個尷尬的現實是，CRISPR/Cas9問世以來，其脫靶風險一直存在。「如果將CRISPR/Cas9及其衍生工具用於臨床的話，脫靶效應可能會引起包括癌症在內的多種副作用。」中國科學院神經科學研究所研究員楊輝告訴經濟日報記者。
在此之前，人們推出過多種檢測脫靶的方案。不過，以前的方法或者依賴於計算機軟體預測，可靠性無人得知；或者依賴於高通量測序檢測DSB產生；還有體外檢測的方法，會引入大量噪音，導致檢測精確度大打折扣。例如：無法高靈敏性檢測到脫靶突變，尤其是單核苷酸突變。因此，關於CRISPR/Cas9及其衍生工具的真實脫靶率，學術界一直存在爭議。
能否找到一種能夠突破之前限制的脫靶檢測技術？這成為CRISPR/Cas9及其衍生工具能否最終走向臨床的關鍵。
而科學技術歸根結底要服務人類，對於基因編輯這樣的技術，大家都很期待它能夠投入到臨床，為那些曾經無法得到有效治療的患者帶來曙光。然而，任何一種用到臨床的療法都必須要足夠安全。「脫靶效應是基因編輯技術最大的風險來源，過去從來沒有人能非常精確地測定脫靶效應，人們迫切希望可以找到一種既能夠不依賴於脫靶位點預測，又能有足夠信噪比的精密脫靶檢測手段。反過來，只有擁有更精確、更靈敏的檢測技術，我們才可能以此開發出更安全的基因編輯工具。」楊輝表示。
意外發現：
單鹼基突變技術存在嚴重脫靶風險
理想很美好，現實很殘酷。如何提升檢測脫靶效應的精度？答案是：徹底顛覆原有的脫靶檢測手段。
為實現這一目標，楊輝研究組與合作者建立了一種名叫「GOTI」的脫靶檢測技術。研究者們在小鼠受精卵分裂到二細胞期的時候，編輯一個卵裂球，並使用紅色螢光蛋白將其標記。當小鼠胚胎發育到14.5天時，將整個小鼠胚胎消化成為單細胞，再利用細胞分選技術，基於紅色螢光蛋白分選出基因編輯細胞和沒有基因編輯的細胞，並進行全基因組測序，比較兩組差異。這樣就避免了單細胞體外擴增帶來的噪音問題。
「由於實驗組和對照組來自同一枚受精卵，理論上基因背景完全一致。因此，直接比對兩組細胞的基因組，其中的差異基本就可以認定是由基因編輯工具造成的。這樣便能發現此前脫靶檢測手段無法發現的完全隨機的脫靶位點。」該課題合作開發者、中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員左二偉解釋。
那麼，千辛萬苦開發的新型脫靶檢測技術效果如何？實踐是檢驗真理的唯一標準。
第一個接受挑戰的對象是最經典的基因編輯工具——CRISPR/Cas9。結果發現，設計良好的CRISPR/Cas9並沒有明顯的脫靶效應，這個結果結束了之前對於CRISPR/Cas9脫靶率的爭議。
隨後，科研團隊檢測了另一個同樣被寄予厚望的CRISPR/Cas9衍生技術——BE3（單鹼基編輯工具）。結果讓人有些意外：這個系統由於可以精確引入點突變，在之前的研究中從未發現過具有明顯的脫靶問題。然而，在GOTI的檢測下研究團隊發現，BE3存在非常嚴重的脫靶。而且，這些脫靶大多出現在傳統脫靶預測認為不太可能出現脫靶的位點。換句話說，單鹼基編輯技術有可能導致大量無法預測的脫靶，因而存在嚴重的安全風險。
進一步分析這些脫靶位點，研究團隊發現，有部分位點出現在抑癌基因上。這意味著什麼？「經典版本的BE3有著很大的隱患，目前不適合作為臨床技術。要知道，在此之前，以BE3為代表的單鹼基突變技術一直被認為是一種特別安全，幾乎不會存在脫靶問題的新技術。」楊輝說，儘管從基礎生物學理論上可以推斷出這些技術很可能存有脫靶問題，但當時大家理所當然地認為它們很安全。
「我們的發現證實了以BE3為代表的部分基因編輯技術存在無法預測的脫靶風險，這在一定程度上可以讓業界更冷靜一點，以便更謹慎地重新審視這些新技術的安全性。」楊輝稱。
未來方向：
開發精準安全的基因編輯工具
在科學界看來，這一研究顯著提高了基因編輯技術脫靶檢測的敏感性，並且可以在不藉助任何脫靶位點預測技術的情況下，發現之前的脫靶檢測手段無法發現的完全隨機的脫靶位點，為基因編輯工具的安全性評估帶來了突破性的新工具。
不過，意義不止於此。「我們的工作建立了一種在精度、廣度和準確性上遠超之前的基因編輯脫靶檢測技術，有望由此開發精度更高、安全性更高的新一代基因編輯工具，建立行業的新標準。」楊輝說。
針對現有BE3等單鹼基突變技術存在脫靶的問題，中國科學院院士、中國科學院神經科學研究所所長蒲慕明表示，很多遺傳疾病是單鹼基突變導致的，因此，單鹼基突變這個技術本身仍具有巨大價值。「正是因為已經建立新的檢測技術，我們才知道如何去修正、改善BE3，從而開發安全性更高的新一代基因編輯工具。」
楊輝告訴記者，團隊接下來將主要開展兩項工作：一是進一步檢測BE3除導致異常基因突變外，是否存在其他問題；二是在此基礎上設法改進這一單鹼基編輯工具，建立一種不會脫靶，也沒有其他風險的單鹼基突變技術，造福患者。（經濟日報·中國經濟網 記者 沈慧）
來源：經濟日報