张锋Nature Medicine成果获验证!个体基因差异影响基因编辑“有效性”
2017/12/14
今年7月,CRISPR大神张锋在Nature Medicine发表论文称,人类DNA中的天然差异可能会削弱CRISPR技术精准编辑人类基因组的能力。本周,最新发表在PNAS杂志上一篇论文力证了这一观点。而这些发现也为“用基因编辑技术治疗人类疾病”提出了“警告”。


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上个月,基因编辑领域迎来了历史性的一刻!一名患有亨特氏综合征的患者在美国接受了一次大胆的治疗:体内基因编辑。此次治疗旨在通过锌指核酸酶(ZFN)基因组编辑技术,将正确的基因插入到肝细胞基因组中的特定位点。这是世界上首次通过体内基因编辑治疗遗传疾病。

那么,推广体内基因编辑用于治疗人类疾病真的容易实现吗?很遗憾,答案是否定的。


图片来源:PNAS

个体基因差异影响基因编辑有效性

12月11日,最新发表在PNAS杂志上的这篇论文为此提出了“警告”。该研究发现,人与人之间的基因差异可能会削弱基因编辑的有效性,在某些情况下,还会导致十分危险的脱靶效应("off target" effect,即,编辑了预想之外的基因)。

具体来说,该研究分析了7,444份先前发表的全基因组序列。基于约30个与疾病相关的DNA靶点,科学家们制造出了近3,000种向导RNA(guide RNAs,gRNAs,包含一段与目标DNA匹配的序列,就像“信封上的地址”,带领Cas9酶到目标DNA上需要被切割的位置)。随后,他们调查了是否7,444位个体中的任何一人在gRNAs靶向的区域携带了突变。


Matthew Canver(图片来源:Harvard Medical School)

论文的共同通讯作者Matthew Canver认为,如果在CRISPR系统靶向的位点中出现了遗传差异,那么,治疗的疗效可能会降低,甚至致使治疗失败。

研究中,科学家们发现,基因组中的这种“事件”并不少见。大约50%被分析的gRNAs有可能受到其目标位点上突变的影响。在一些案例中,研究小组发现,如果基因组DNA序列中的基因突变使得其更匹配某个gRNA,这可能会使该gRNA结合到错误的位置,导致“脱靶效应”。

Canver说:“如果这种脱靶效应发生在一个肿瘤抑制基因上,那就是个大问题了。”他强调,随着这些基因编辑技术不断发展,走向临床,确保每一种治疗对患者来说是‘量身定制’的非常重要。

论文的共同通讯作者Stuart Orkin博士表示,人类的DNA序列各不相同。他们建议,在设计用于治疗的基因编辑靶向系统时,应考虑到个体基因组本身的差异,以最大化这类治疗的功效,及最小化它们潜在的安全隐患。


图片来源:Nature Medicine

张锋等已提出相似观点

看到这项新成果时,让人不禁想到张锋等今年7月31日在Nature Medicine发表的一篇论文。在这一研究中,张锋及其研究小组成员David Scott率先提出,人类DNA中的天然差异可能会通过阻碍Cas9酶作用于正确的基因目标,从而削弱CRISPR技术精准编辑人类基因组的能力。

研究中,科学家们分析了来自Exome Aggregation Consortium和1000 Genomes的数据,结果发现,个体DNA差异极大影响了gRNA导向的内切酶的效力efficacy of RNA-guided endonucleases,如Cas9)。

同时,作者们调查了12个与疾病相关的基因的gRNAs。结果显示,这些gRNAs脱靶位点的数量从0到一万以上不等,具体取决于相关基因的基因组特性(genomic idiosyncracies)。


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张锋认为,这些分析表明,候选患者的全基因组测序将对最小化gRNA失败的可能性这种失败是由目标位点的基因变异引起的起到帮助。同时,他还指出,对基于CRISPR-Cas9的疗法的早期研究和相关临床试验来说,全基因组测序数据可以用来排除那些遗传组成会潜在降低疗效或增加脱靶编辑可能性的患者。

此外,包括GUIDE-seq、CIRCLE-seq等在内的一些筛选策略应该被用于寻找针对特定疾病的、最好的gRNA与内切酶组合(guide RNA–enzyme combination)。

哈佛大学遗传学“大牛”George Church表示,遗传变异可能会导致两种潜在的问题:第一,无法编辑目标DNA;第二,编辑了错误的位点。出现第二个问题的话,会更难解决。对此,张锋等强调,全基因组测序将对“匹配患者遗传变异与最有效的gRNA”至关重要。

参考资料:

Patients' individual genomes may affect efficacy, safety of gene editing

张锋大神最新成果!想用“魔剪”CRISPR治疗人类疾病,没那么简单

人类首例体内基因编辑治疗在美国实施,有望治愈亨特氏综合征

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