像分子忍者一樣，基因組編輯工具CRISPR-Cas9切割DNA的超特異性片段以切除不需要的遺傳密碼。它是一種精確而有前途的遺傳編輯方法，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究?？茖W(xué)家希望有朝一日可以選擇性地去除導(dǎo)致艾滋病，鐮狀細(xì)胞病和癌癥等醫(yī)學(xué)問題的基因。

不幸的是，今天(7月16日)發(fā)表在“自然生物技術(shù) ” 雜志上的一項(xiàng)新研究表明，這一天可能會超出預(yù)期 - 并且CRISPR的細(xì)胞劍法可能會導(dǎo)致比以前想象的更多的附帶損害。

在使用CRISPR編輯小鼠和人類來源細(xì)胞中的DNA時(shí)，研究作者發(fā)現(xiàn)，大量的DNA無意中被刪除，重新排列，并且突然發(fā)生突變，導(dǎo)致細(xì)胞在大約15%的病例中喪失功能。

該研究的作者艾倫·布拉德利(Allan Bradley)是英格蘭Wellcome Sanger研究所的高級組長和名譽(yù)主任，該研究提供了迄今為止對CRISPR操作引起的潛在遺傳損傷的最系統(tǒng)和嚴(yán)格的推算。他說，結(jié)果可能是重新考慮該技術(shù)在臨床環(huán)境中使用的原因，直到可以進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

“CRISPR不如我們想象的那么安全，”布拉德利告訴Live Science。“DNA修復(fù)過程并非100%萬無一失，而且可能存在需要進(jìn)一步研究的問題。”

破解代碼(打開)

當(dāng)您描繪DNA時(shí)，您可能會想到一個(gè)雙螺旋 - 一個(gè)帶有遺傳信息的扭曲的，梯狀的字母序列。梯子的每個(gè)梯級由兩個(gè)連接的核苷酸(微小的有機(jī)分子)組成，稱為堿基對。您的完整基因組包含大約30億個(gè)這些堿基對，分為23對染色體，這些染色體存在于您身體的每個(gè)細(xì)胞中。

這些堿基對的精確順序構(gòu)成了您獨(dú)特的遺傳密碼。該代碼中的突變 - 比如，如果堿基對缺失或顛倒 - 可導(dǎo)致各種基因失去其功能，有時(shí)導(dǎo)致遺傳性疾病，如囊性纖維化，血友病和許多類型的癌癥。

CRISPR被設(shè)計(jì)用于通過用稱為Cas9的手術(shù)刀樣酶切割靶向的DNA序列來消除這些超特異性遺傳缺陷。Cas9在指定的位置切斷DNA后，DNA片段自然會開始自我修復(fù)。通過這種方法，可以迅速去除問題基因，并且有時(shí)甚至可以在DNA再次密封自身之前將定制的基因序列添加到斷裂位點(diǎn)。

Bradley先前表示，以前對CRISPR的研究并沒有顯示出由這種精確的切片作用引起的許多無法預(yù)見的基因突變，但這些研究可能看起來不夠努力。

布拉德利說：“[CRISPR誘導(dǎo)突變]的后果可能遠(yuǎn)離斷裂位點(diǎn)數(shù)百萬堿基對。”

在他們的新研究中，Bradley和他的同事使用CRISPR編輯了一系列源自小鼠的干細(xì)胞，然后系統(tǒng)地觀察細(xì)胞的DNA堿基對，從切割位點(diǎn)移動得越來越遠(yuǎn)。通過這種一絲不茍的方法，研究人員發(fā)現(xiàn)，大約15%的研究細(xì)胞發(fā)生了突變，導(dǎo)致它們失去了功能。

“在最簡單的形式中，這些突變是大量DNA的缺失，”Bradley說(在某些情況下，被CRISPR操縱后，數(shù)千個(gè)DNA堿基對缺失)。“但也有更復(fù)雜的版本。”

例如，布拉德利說，該團(tuán)隊(duì)檢測到遺傳密碼序列被“加擾”或向后插入鏈中的情況。在某些情況下，應(yīng)該已經(jīng)有數(shù)千堿基對的長DNA序列被無意中縫合到CRISPR切割位點(diǎn)。在其他情況下，切割位點(diǎn)附近的代碼序列 - 有些位于數(shù)百萬個(gè)堿基對之外 - 同樣發(fā)生變異。

在觀察細(xì)胞DNA的許多不同位置后，研究小組轉(zhuǎn)向其他類型的細(xì)胞，包括在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的人源干細(xì)胞，以確定是否重復(fù)了損傷模式。他們的觀察結(jié)果保持一致：大約15%的CRISPR操縱細(xì)胞被戲劇性地?zé)o意中突變。

隨機(jī)剪切

最終，這些突變的確切后果很難估計(jì)，因?yàn)椴煌愋偷募?xì)胞使用不同的操作來修復(fù)它們的DNA。

“因?yàn)槟阌幸粋€(gè)重新加入DNA的隨機(jī)修復(fù)過程，我認(rèn)為當(dāng)你看到數(shù)十億個(gè)不同的事件時(shí)，任何事情都有可能發(fā)生，”布拉德利說。

那么，這對未來的CRISPR研究意味著什么呢?對布拉德利來說，這項(xiàng)研究的結(jié)果不應(yīng)該使CRISPR-Cas9成為一種有前景的遺傳研究工具，但在考慮在臨床環(huán)境中使用基因編輯工具時(shí)，應(yīng)該讓科學(xué)家保持謹(jǐn)慎。

來自Memorial Sloan Kettering癌癥中心的研究員瑪麗亞·賈斯林(Maria Jasin)表示同意。“這項(xiàng)研究表明，在臨床上使用CRISPR-Cas9之前，還需要進(jìn)一步的研究和特異性檢測，”Jasin在一份聲明中說。