作者:辛雨 来源: 中国科学报 发布时间:2019/7/4 9:47:50
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“这是一条很大的红线”
科学家警告称基因编辑希望与风险并存

Cas9酶是CRISPR系统的关键。图片来源:MELETIOS VERRAS

 

■本报见习记者 辛雨

Jeff Carroll发现自己携带一种可导致亨廷顿氏舞蹈症的突变基因。亨廷顿氏舞蹈症是一种破坏大脑和神经系统的遗传病,患者会以早逝告终。他知道母亲4年前得了这种病,而自己几乎也会得这种病。

因为有50%把同样悲惨命运传给后代的可能性,Carroll夫妇决定不生孩子。通过学习这种疾病的知识,Carroll发现了一个叫做植入前基因诊断的过程。通过体外受精和筛选胚胎,Carroll和妻子几乎可以消除这种突变的遗传可能。他们决定试一试,并在2006年生下一对没有亨廷顿氏突变的双胞胎。

现在,Carroll是美国西华盛顿大学的一名研究人员,他正在使用CRISPR基因编辑技术调节亨廷顿氏舞蹈症突变基因在小鼠细胞中的表达,这可能会帮助跟他有同样状况的夫妇。

但是,使用CRISPR改变人类胚胎基因的前景仍然让Carroll感到担忧。“这是一条很大的红线。”

“基因编辑本身就面临很多技术挑战,但人们最关注的是基因编辑带来的非预期基因变化。”杰克逊实验室干细胞研究专家Martin Pera说,“不过,这一挑战也可能是最容易克服的。”

目前,最流行的基因编辑方法是CRISPR-Cas9。CRISPR-Cas9是微生物在长期演化过程中形成的一种适应性免疫防御,可用来对抗入侵的病毒及外源DNA。如今,CRISPR-Cas9被人类重新利用,构建了很强的RNA引导的DNA靶向平台,主要用于基因组编辑、转录扰乱、表观遗传调控等。

会“偏离目标”的基因编辑

CRISPR-Cas9的原理是,通过提供一个RNA片段,引导Cas9酶到达基因组中的特定位置,对DNA进行切割。

但Cas9和类似的酶也能在其他位点切割非目标DNA,特别是当基因组中有与目标相似的DNA序列时。这种“偏离目标”的错误切割可能导致健康问题:例如,对抑癌基因的改变可能会导致癌症。

研究人员一直在寻找错误率较低版本的Cas9酶,错误率的高低取决于目标基因组的位置。小鼠与人类细胞之间、成熟细胞和胚胎细胞之间的错误率可能不同。目前,许多基因编辑酶只在小鼠或培养的人类细胞中研究过,在人类胚胎中并没有进一步研究。

考虑到每次细胞分裂都会发生少量DNA变化,有科学家认为,DNA切割的错误率可能不需要为零。一些DNA的背景变化是可以接受的,特别是当这项技术用来预防或治疗某种严重疾病时。

虽然有研究人员认为目前CRISPR的错误率足够低,但英国巴斯大学胚胎学家Tony Perry认为,“我们并没有真正掌握人类卵母细胞和胚胎细胞的编辑特异性。”

DNA修复或可让基因编辑更精确

Cas9或类似的酶切割DNA后,切割伤口的愈合取决于细胞。但细胞的修复过程是不可预测的。

常用的修复方法有两种。一种是非同源末端连接法——通常会在切割位点删除一些DNA碱基,如果基因编辑的目的是关闭突变基因的表达,该修复方法可能会很有用。

另一种是同源定向修复,允许研究人员在切割位点按照编辑的模板进行DNA复制,以重写DNA序列。

但这两个方法都很难控制。非同源末端连接引起的基因缺失可大可小,会产生不同的DNA序列。同源定向修复对基因编辑过程有更多的控制要求。目前还不清楚同源定向修复在人体的效果如何,甚至它是如何工作的也不明确。

《自然》2017年发表的一项研究称,在人类胚胎中使用CRISPR-Cas9纠正与心力衰竭相关的基因变异(这些胚胎从未被植入过基因),结果显示,经过修饰的细胞使用了母亲的基因组作为DNA修复模板,而不是研究人员提供的DNA模板。

但其他研究人员后来报告说,他们无法重复这一结果。加州大学伯克利分校分子生物学家Jennifer Doudna说:“目前,我们还不清楚胚胎是如何处理DNA修复的。我们需要用其他物种的胚胎做大量工作,以了解它的基本原理。”

研究人员正在探索解决DNA修复相关问题的方法。

《自然》今年6月发表的两篇报告讨论了一种CRISPR系统,该系统可以在不破坏两条链的情况下将DNA插入基因组,从而绕过对DNA修复机制的依赖。如果这个系统能经受住进一步测试,那么研究人员便可以更好地控制基因编辑。

另一种方法是使用一种名为碱基编辑的技术。碱基编辑器将一个失效的Cas9与一种酶结合,这种酶可以转换DNA碱基。失效的Cas9将碱基编辑器指向基因组的某个位点,在那里,它将直接使DNA产生化学变化,而不是切割。

然而,《科学》4月份发表的研究表明,其中一些碱基编辑也容易偏离目标,研究人员正在努力提高其准确性。

怎样编辑人类胚胎才是安全的

即使基因编辑的靶向性和准确性是完美的,但在人类生殖系中进行哪些类型的基因编辑是安全的,仍是一个问题。

2017年,由美国国家科学、工程和医学院牵头的一项国际研究概述了基因编辑人类胚胎应满足的条件。其中一个标准是,基因编辑产生的DNA序列在人群中已经很常见,而且没有已知的疾病风险。

此外,基因编辑人类胚胎的临床试验还面临一系列新的挑战。例如,在这项技术被认定为安全之前,需要对基因编辑过的儿童进行多长时间的随访?研究人员将如何追踪这些孩子的子女,以研究跨代效应?美国波特兰州立大学生物伦理学家Bryan Cwik说:“这将是一场混战。”

5月22日,美国国家科学、工程和医学院与英国皇家学会宣布成立一个委员会,该委员会将研究基因编辑的遗传特性,并计划明年发布研究报告。

我们准备好“冒险”了吗

尽管基因编辑在理论技术层面面临着巨大挑战,但更棘手的可能是它的伦理和社会问题,世界各地的科学团体纷纷就此问题发布报告和立场声明。

达成全球共识是一项艰巨的任务,目前就此问题的大多数磋商都在西方国家进行。

印度邦贾布大学人类学家Kewal Krishan说,在印度,关于可遗传基因编辑的讨论就很少。

瑞士日内瓦大学生物伦理学家、WHO前顾问Abha Saxena希望磋商能够继续下去,即使达成全球共识的最终目标可能实现不了。“我们准备好了吗?这很难说。但人类总是充满冒险精神。”Saxena说。

 

《中国科学报》 (2019-07-04 第3版 国际)
 
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