Cell子刊：定量基因組編輯的脫靶和打靶效應

日期：2015-01-28 08:56:49

基因編輯是近年來發展起來的可以對基因組完成精確修飾的一種技術，可完成基因定點InDel突變、敲入、多位點同時突變和小片段的刪失等。這項革命性的技術可讓研究人員精確地改變基因組，從而有著廣泛應用，包括基礎研究、生物技術和人類基因療法。與傳統的TALEN和ZFN技術相比，CRISPR/Cas9系統更便捷、高效，應用也更廣泛，目前該技術成功應用于人類細胞、斑馬魚、小鼠以及細菌的基因組精確修飾。

自從基因組編輯技術引爆科學界熱潮以來，就有許多研究小組發現具有脫靶問題。在2013年6月，來自麻省總醫院的研究人員發現使用CRISPR-Cas RNA引導性核酸酶的一個重要局限：會在預期靶點以外的位點上生成多余的DNA突變。另有研究直接說明了CRISPR/Cas9存在嚴重的脫靶性，即該技術可以發生非特異性切割，引起基因組非靶向位點的突變，這樣會造成研究結果的不確定性以及研究工作的大量增加，這一問題嚴重地限制了Cas9的應用。

對于基因組編輯技術脫靶效應的檢測，科學家們從來沒有停止過探索。在2014年6月，弗吉尼亞大學醫學院的研究人員設計出一種方法，可檢測風靡科學界的CRISPR/Cas9基因編輯系統中意想不到的副作用，相關研究結果發表在《Nature Biotechnology》，相關閱讀：檢測CRISPR/Cas9基因編輯系統的副作用。1個月后，中國醫學科學院和北京生命科學研究所（NIBS）的研究人員，在《Cell Research》發表的一項研究中，利用一種公正的全基因組ChIP-seq方法，分析了人類基因組中CRISPR/Cas9的結合脫靶效應，相關閱讀：NIBS張昱《Cell Res》解析CRISPR/Cas9脫靶效應。新年伊始，美國希望之城貝克曼研究所和浙江大學第一附屬醫院的研究人員在《Nature Biotechnology》描述了一種新策略，有望幫助科學家檢測基因組編輯技術中的脫靶效應。

近年來，雖然科學家精確控制基因組中特異位點變化的能力已經大大增加，但是對于測量內源性基因組位點產生的不同基因組編輯結果，仍然缺乏一組綜合、標準的分析。最近，來自斯坦福大學、喬治亞理工學院和埃默里大學的三名科學家在Cell旗下子刊《Trends in Biotechnology》發表題為“Quantifying on- and off-target genome editing”的綜述文章。本文通訊作者是斯坦福大學醫學院教授、CRISPR Therapeutics公司創始人Matthew Porteus 博士。Porteus博士在博士后工作期間，開始進行基因組編輯方面的研究，他首次發現，可以利用人工核酸酶，通過同源重組通路，對人類細胞基因組進行精確修飾，從而影響特定基因的表達。目前，Porteus博士主要進行遺傳性疾病基因組修飾療法的研究開發。

在2014年10月份，Porteus博士參與的一項研究結果發表在《Nature》雜志，該研究設計了一種新方法，實現了許多從事遺傳疾病治療臨床醫生的誘人目標：將缺陷基因的功能性拷貝插入到患者的基因組中。隨后在11月份，Porteus博士與印第安納大學、德克薩斯大學的科學家們共同合作，用基因組編輯技術，“編輯”產精成人干細胞的基因組，在實驗中他們使小鼠細胞中一個突變基因的DNA雙鏈斷裂，然后通過一個稱為同源重組（homologous recombination）的過程修復了DNA，以正確的片段取代有缺陷的片段。該研究涉及精原干細胞，它們是精子生產的基礎，是向下一代傳遞遺傳信息的唯一成人干細胞。修復細胞中的缺陷，從而可以防止突變被傳遞給后代。相關研究結果發表在《PLOS ONE》雜志，相關閱讀：2篇論文利用基因組編輯治療遺傳疾病。