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GOTI技術有效避免基因編輯發生“脫靶現象”
時間:2019-04-04 15:10:06  作者:微微  來源:科技日報
類基因組序列中基因的數量有數萬個,精準定位和編輯某個基因的問題一直到2006年第一個基因編輯酶 ZNF 的出現,人們才看到了一絲希望的曙光。隨著 CRISPR 的發現終于讓基因編輯在技術上變得相對容易,也把基因編輯技術推向新高潮。

  人類基因組序列中基因的數量有數萬個,精準定位和編輯某個基因的問題一直到2006年第一個基因編輯酶 ZNF 的出現,人們才看到了一絲希望的曙光。隨著 CRISPR 的發現終于讓基因編輯在技術上變得相對容易,也把基因編輯技術推向新高潮。
  或許你正不幸被某種單基因遺傳疾病折磨,比如血友病、白化病等。有一天,醫生告訴你,可以用基因編輯技術“剪去”那個令你承受病痛的“壞基因”,是不是會心存感謝?
  但是被稱為“上帝的手術刀”的基因編輯技術,也有失手的時候,這時我們該如何面對呢……
  近日,一種被命名為GOTI的技術受到廣泛關注,這項刊載在《科學》雜志的成果,由中國科學院神經科學研究所與國內外研究機構的研究者們合作開發,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(指錯誤地編輯了不該編輯的地方)。
  那么,科學家是如何檢測基因編輯脫靶的?檢測脫靶為什么這么難?檢測脫靶技術未來如何發展?江蘇南通大學劉東教授向科技日報記者作了詳細解釋。
  對比測序檢測脫靶操作難
  基因編輯技術就是指能夠對目標基因進行“編輯”,比如對特定DNA片段的敲除、敲入等。而CRISPR/Cas9技術自問世以來,因為有著無可比擬的優勢,使科學家可以更加便捷地在細胞上進行“刪除”“復制”“粘貼”。
  隨著人類的基因編輯能力越來越強,漸漸的,憂慮也隨之而來,基因編輯會不會失手造出綠巨人那樣的怪物?
  這樣的可能并非不存在。因為,CRISPR等基因編輯工具再強大,也難以避免“脫靶”效應。
  如果是拿植物或斑馬魚、小鼠等實驗動物來作試驗,那么即使出錯后果也較容易接受,甚至是舍棄重來。但如果用在人類胚胎編輯中,即使是極小概率的“脫靶”也能造成很大的問題,因為你不能把一個胚胎或者活人舍棄重新再做試驗。
  所以,檢測基因編輯工具是否脫靶,就成為科學界必須攻克的一項課題。
  “傳統的檢測方法,簡單的說,就是測序和分析。”劉東介紹說,在此之前,人們推出過多種檢測脫靶的方案。以前的那些方法不適合在體檢測單核苷酸的差異。
  他以文本編輯打比方說:“我們在編輯一段文本時刪除一個字,該怎么確定刪除的那個字跟預想的一樣呢?理想情況下,需要跟一個原始的文檔去比較。”
  那么同理,在基因編輯中,科學家將樣本細胞分成兩份,一份做基因編輯,一份不做,最后再測定兩組基因序列,除了目標基因的變化外,其他的基因理論上應該是相同的,如果出現差異就可能是基因編輯脫靶導致的。
  “但是生命不一樣,由于單核苷酸多態性,我們找不到原始樣本進行比較,這也是生物多樣性的特點。”劉東說。
  另外,在基因測序時需要大量樣本,必須將樣本細胞進行體外擴增,也就是大量復制。而在擴增過程中,又會帶來DNA突變的概率,這就是所謂的“擴增噪音”,這樣一來就更難分辨脫靶與突變。
  所以,檢測基因編輯是否脫靶,在理論上是可行的,但在實踐中很難操作。
  新“裁判”為何能明察秋毫
  盡管以CRISPR/Cas9等為代表的新一代基因編輯以精確著稱,但是,每一次基因編輯操作本質上是成千上萬的基因編輯工具分子對細胞做了多次編輯,脫靶無法避免但概率又很低,這就導致極其微弱的脫靶信號會淹沒在強大的背景噪音中。
  如何去除背景噪音,就是科學家要做的事,而中科院神經所的楊輝實驗室的方法很新穎。
  這種名叫“GOTI”的脫靶檢測技術是利用小鼠胚胎做實驗。研究者在小鼠受精卵分裂到二細胞期的時候,編輯一個卵裂球,并使用紅色熒光蛋白將其標記。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,利用流式細胞分選技術基于紅色熒光蛋白,分選出基因編輯細胞和沒有基因編輯的細胞,再進行全基因組測序比較兩組差異。
  “很難找到基因是完全相同的兩只小鼠,但實驗組和對照組來自同一個受精卵,理論上基因是完全一致的,這樣進行對比,就能發現基因編輯是否脫靶了。”劉東告訴記者。
  “這項技術的精妙之處在于,解決了樣本少但精度又很高的問題。”劉東說,單個細胞中的DNA很少,并不足以做測序分析。但科學家對兩細胞期的受精卵進行熒光標記,然后等它發育成一個胚胎,再“拆分”成足夠多的單細胞進行測序,無需再做體外擴增,擴增噪音的問題迎刃而解。
  使用該技術發現,CRISPR/Cas9衍生技術BE3單堿基編輯會產生大量脫靶突變,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。這一發現使得人們對原本認為“特別安全、幾乎不會有脫靶”的單堿基突變技術進行重新審視。
  倫理問題如何避免尚存疑問
  但是,業內專家對此還存有疑慮,這項技術用在實驗動物上是可行的,用在人身上就存在倫理問題。
  各國對基因編輯用于人類早就有多種倫理原則進行規范,其中的一個原則是,目前必須要有國家級的政府倫理機構批準,并且不能允許經過基因修改的嬰兒出生,即便要用人的胚胎進行研究,也一般限于14天的胚胎,即胚胎發育到14天后必須銷毀,不能發育成長為人。
  而這項檢測技術是需要讓胚胎發育到較為成熟的階段,在許多國家墮胎都是違法,更不用說等到胚胎發育成人形了。因此,專家們認為,這項技術打開了基因編輯檢測的一扇新窗口,但是仍需要進一步完善。
  “精準二字在生命科學里很難做到。因為從微觀來看,生命的延續是基于弱作用力的一個動力學過程,基因發生變化就是一個概率問題,想做到很精準,我認為理論上是不成立的。”劉東這樣認為。
  GOTI發現,單堿基編輯技術有脫靶問題,是不是應該放棄對該技術的研究?答案是否定的。很多人的遺傳病是單堿基突變導致的。有數據表明,全球有7000種罕見病,其中80%是單基因遺傳病,50%發生在兒童時期。
  “比如我們正在做的耳聾疾病基因治療實驗,很多感音性耳聾是由單基因突變造成的,在小鼠上實驗表明,修復單堿基突變的基因,聽力就能恢復。”劉東說到。
  雖然基因編輯技術已經被稱為“生物科學領域的游戲規則改變者”,但未來應用于臨床治療時,仍需非常嚴格的制定行業標準,盡量避免基因編輯脫靶的可能,減少患者需要承擔的風險。
關鍵字:基因編輯技術
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