CRISPR又“摊上事”?Nature子刊揭示:“魔剪”或致大量DNA缺失和重排
2018/07/21
CRISPR基因编辑技术自2013年以来就一直是研究热点,在疾病治疗上被寄予厚望。然而,这一新技术却暗藏很多潜在的安全问题,包括引发“意外突变”、增加癌症风险、受患者免疫系统“威胁”……现在,一篇最新研究再一次“泼冷水”:CRISPR会造成编辑位点附近出现大量DNA缺失和重排。


这一潜在风险由英国Wellcome Sanger研究所的科学家们发现,并于7月16日以“Repair of double-strand breaks induced by CRISPR–Cas9 leads to large deletions and complex rearrangements”为题发表在《Nature Biotechnology》期刊。

这些“缺陷”容易干扰试验结果,从而增加基于CRISPR治疗的复杂化,引发科研人员对CRISPR准确性的质疑。


最新研究

CRISPR/Cas9基因编辑依赖于Cas9酶在特定目标位点切割DNA。随后,细胞试图利用DNA修复机制重新“封印”这一断裂。这一系列机制并不总是完美,有时候DNA片段会被删除或者重排,或者不相关的DNA片段会被合并到染色体中。

研究负责人、Wellcome Sanger研究所的遗传学家Allan Bradley表示:“细胞试图将东西重新缝合在一起,但是事实上它不是很清楚哪些DNA片段彼此相邻。

科学家们常常利用CRISPR产生微小的缺失,希望能够破坏基因的功能。遗憾的是,当Allan Bradley团队检查CRISPR编辑结果时,他们发现了大量的缺失——通常有几千个碱基那么长,此外还有复杂的DNA重排——原本相距甚远的DNA被连接在一起。

这些错误现象在研究团队测试的3种细胞类型中都很普遍,包括小鼠胚胎干细胞、小鼠造血祖细胞和人类细胞。而且,这些大量的基因变化不会被基因编辑领域常用的检测方法发现。

“漏诊”

很多研究人员使用了一种扩增短片段DNA的方法,用于检测基因编辑是否完成。但是,布兰迪斯大学的分子生物学家James Haber认为,这一方法可能会漏掉大量DNA缺失、重排的现象。

James Haber指出,DNA缺失、重排只会出现在依赖于DNA切割的基因编辑技术中,其他避免DNA切割的CRISPR编辑类型不会出现这些错误——例如一种“碱基编辑”(base editing)的方法通过使用一个经过修改的CRISPR系统,能够在不切断DNA的前提下置换单个剪辑,另外还有系统会通过将灭活的Cas9与其他酶融合,从而调控基因的表达与否,或者靶向RNA。

DNA缺失的现象已经引起了科学家们的注意。eGenesis公司正在利用基因编辑技术改造猪器官用于移植。公司联合创始人、首席科学家杨璐菡表示,公司会使用多种方法查找大大小小的缺失。

另一家基于CRISPR技术开发疾病治疗方法的公司Intellia同样也在寻找大量的缺失。高级副总裁Thomas Barnes表示,公司研究团队正在小鼠肝脏的基因编辑研究中寻找DNA缺失,但是迄今为止他们还没有发现此类删除的证据。他推测,这可能是因为团队使用的细胞不经常分裂。而在Bradley最新的研究中,他们使用的则是分裂活跃的细胞。

需要重视

CRISPR的出现革新了生命医学的研究和应用,这一技术在问世短短几年内就被誉为“世纪发现”。然而,距离真正应用于疾病治疗,CRISPR依然面临着很多障碍,例如“脱靶效应”。去年《Nature Methods》期刊发文揭示,CRISPR能够引入数百种意想不到的突变到基因组中。今年6月,《Nature Medicine》期刊连发两篇文章,揭示了CRISPR应用的又一风险:增加癌症风险

Salk研究所的生物工程师Patrick Hsu认为,这些预想之外的风险需要科学家们格外重视。但同时,Haber也强调,这些错误不应该成为阻止CRISPR应用的理由。不过,当使用它时,科学家们需要做更彻底的分析。

责编:风铃

参考资料:

CRISPR gene editing produces unwanted DNA deletions

Another "CRISPR Calamity"? U.K. Team Reports CRISPR-Induced Gene Rearrangements

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  • Repair of double-strand breaks induced by CRISPR–Cas9 leads to large deletions and complex rearrangements

    CRISPR–Cas9 is poised to become the gene editing tool of choice in clinical contexts. Thus far, exploration of Cas9-induced genetic alterations has been limited to the immediate vicinity of the target site and distal off-target sequences, leading to the conclusion that CRISPR–Cas9 was reasonably specific. Here we report significant on-target mutagenesis, such as large deletions and more complex genomic rearrangements at the targeted sites in mouse embryonic stem cells, mouse hematopoietic progenitors and a human differentiated cell line. Using long-read sequencing and long-range PCR genotyping, we show that DNA breaks introduced by single-guide RNA/Cas9 frequently resolved into deletions extending over many kilobases. Furthermore, lesions distal to the cut site and crossover events were identified. The observed genomic damage in mitotically active cells caused by CRISPR–Cas9 editing may have pathogenic consequences.

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