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(yī)生告訴你，可以用基因編輯技術(shù)“剪去”那個(gè)令你承受病痛的“壞基因”,，是不是會(huì)心存感謝,？
別急別急，基因編輯這個(gè)被稱為“上帝的手術(shù)刀”的神奇技術(shù),，居然也有失手的時(shí)候,，這時(shí)我們?cè)撊绾蚊鎸?duì)呢……
近日，一種被命名為GOTI的技術(shù)受到廣泛關(guān)注,，這項(xiàng)刊載在《科學(xué)》雜志的成果,，由中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所與國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的研究者們合作開發(fā)，能夠準(zhǔn)確,、靈敏地檢測到基因編輯方法是否會(huì)產(chǎn)生脫靶效應(yīng)(指錯(cuò)誤地編輯了不該編輯的地方),。
那么，科學(xué)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(shù)未來如何發(fā)展？江蘇南通大學(xué)劉東教授向科技日?qǐng)?bào)記者作了詳細(xì)解釋,。
對(duì)比測序檢測脫靶操作難
基因編輯技術(shù)就是指能夠?qū)δ繕?biāo)基因進(jìn)行“編輯”,，比如對(duì)特定DNA片段的敲除、敲入等,。而CRISPR/Cas9技術(shù)自問世以來,，因?yàn)橛兄鵁o可比擬的優(yōu)勢，使科學(xué)家可以更加便捷地在細(xì)胞上進(jìn)行“刪除”“復(fù)制”“粘貼”,。
隨著人類的基因編輯能力越來越強(qiáng),，漸漸的,，憂慮也隨之而來，基因編輯會(huì)不會(huì)失手造出綠巨人那樣的怪物,？
這樣的可能并非不存在,。因?yàn)椋珻RISPR等基因編輯工具再強(qiáng)大,，也難以避免“脫靶”效應(yīng),。
如果是拿植物或斑馬魚、小鼠等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物來作試驗(yàn),，那么即使出錯(cuò)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?yàn)槟悴荒馨岩粋€(gè)胚胎或者活人舍棄重新再做試驗(yàn)。
所以,，檢測基因編輯工具是否脫靶,，就成為科學(xué)界必須攻克的一項(xiàng)課題。
“傳統(tǒng)的檢測方法,，簡單的說,，就是測序和分析?！眲|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?cè)诰庉嬕欢挝谋緯r(shí)刪除一個(gè)字,，該怎么確定刪除的那個(gè)字跟預(yù)想的一樣呢,？理想情況下，需要跟一個(gè)原始的文檔去比較,?！?/p>
那么同理，在基因編輯中,，科學(xué)家將樣本細(xì)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(biāo)基因的變化外，其他的基因理論上應(yīng)該是相同的,，如果出現(xiàn)差異就可能是基因編輯脫靶導(dǎo)致的,。
“但是生命不一樣,，由于單核苷酸多態(tài)性，我們找不到原始樣本進(jìn)行比較,，這也是生物多樣性的特點(diǎn),。”劉東說,。
另外,，在基因測序時(shí)需要大量樣本，必須將樣本細(xì)胞進(jìn)行體外擴(kuò)增,，也就是大量復(fù)制,。而在擴(kuò)增過程中，又會(huì)帶來DNA突變的概率,，這就是所謂的“擴(kuò)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(shí)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(zhì)上是成千上萬的基因編輯工具分子對(duì)細(xì)胞做了多次編輯,，脫靶無法避免但概率又很低,，這就導(dǎo)致極其微弱的脫靶信號(hào)會(huì)淹沒在強(qiáng)大的背景噪音中。
如何去除背景噪音,，就是科學(xué)家要做的事,，而中科院神經(jīng)所的楊輝實(shí)驗(yàn)室的方法很新穎。
這種名叫“GOTI”的脫靶檢測技術(shù)是利用小鼠胚胎做實(shí)驗(yàn),。研究者在小鼠受精卵分裂到二細(xì)胞期的時(shí)候,，編輯一個(gè)卵裂球，并使用紅色熒光蛋白將其標(biāo)記,。小鼠胚胎發(fā)育到14.5天時(shí),，將整個(gè)小鼠胚胎消化成為單細(xì)胞，利用流式細(xì)胞分選技術(shù)基于紅色熒光蛋白,，分選出基因編輯細(xì)胞和沒有基因編輯的細(xì)胞,，再進(jìn)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(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組來自同一個(gè)受精卵,，理論上基因是完全一致的，這樣進(jìn)行對(duì)比,，就能發(fā)現(xiàn)基因編輯是否脫靶了,?！眲|告訴記者。
“這項(xiàng)技術(shù)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(gè)細(xì)胞中的DNA很少,，并不足以做測序分析。但科學(xué)家對(duì)兩細(xì)胞期的受精卵進(jìn)行熒光標(biāo)記,，然后等它發(fā)育成一個(gè)胚胎,，再“拆分”成足夠多的單細(xì)胞進(jìn)行測序，無需再做體外擴(kuò)增,，擴(kuò)增噪音的問題迎刃而解,。
使用該技術(shù)發(fā)現(xiàn)，CRISPR/Cas9衍生技術(shù)BE3單堿基編輯會(huì)產(chǎn)生大量脫靶突變,，證實(shí)了以BE3為代表的部分基因編輯技術(shù)存在無法預(yù)測的脫靶風(fēng)險(xiǎn),。這一發(fā)現(xiàn)使得人們對(duì)原本認(rèn)為“特別安全、幾乎不會(huì)有脫靶”的單堿基突變技術(shù)進(jìn)行重新審視,。
倫理問題如何避免尚存疑問
但是,，業(yè)內(nèi)專家對(duì)此還存有疑慮，這項(xiàng)技術(shù)用在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上是可行的,，用在人身上就存在倫理問題,。
各國對(duì)基因編輯用于人類早就有多種倫理原則進(jìn)行規(guī)范，其中的一個(gè)原則是,，目前必須要有國家級(jí)的政府倫理機(jī)構(gòu)批準(zhǔn),，并且不能允許經(jīng)過基因修改的嬰兒出生，即便要用人的胚胎進(jìn)行研究,，也一般限于14天的胚胎,，即胚胎發(fā)育到14天后必須銷毀,，不能發(fā)育成長為人,。
而這項(xiàng)檢測技術(shù)是需要讓胚胎發(fā)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(fā)育成人形了,。因此，專家們認(rèn)為,，這項(xiàng)技術(shù)打開了基因編輯檢測的一扇新窗口,，但是仍需要進(jìn)一步完善。
“精準(zhǔn)二字在生命科學(xué)里很難做到,。因?yàn)閺奈⒂^來看,，生命的延續(xù)是基于弱作用力的一個(gè)動(dòng)力學(xué)過程,，基因發(fā)生變化就是一個(gè)概率問題，想做到很精準(zhǔn),，我認(rèn)為理論上是不成立的,。”劉東這樣認(rèn)為,。
GOTI發(fā)現(xiàn),，單堿基編輯技術(shù)有脫靶問題，是不是應(yīng)該放棄對(duì)該技術(shù)的研究,？答案是否定的,。很多人的遺傳病是單堿基突變導(dǎo)致的。有數(shù)據(jù)表明,，全球有7000種罕見病,，其中80%是單基因遺傳病，50%發(fā)生在兒童時(shí)期,。
“比如我們正在做的耳聾疾病基因治療實(shí)驗(yàn),，很多感音性耳聾是由單基因突變?cè)斐傻模谛∈笊蠈?shí)驗(yàn)表明,，修復(fù)單堿基突變的基因,，聽力就能恢復(fù)?！眲|說到,。
劉東認(rèn)為，未來基因編輯用于臨床治療時(shí),，必需制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),，而且要非常嚴(yán)格。但是,，就像藥物有副作用,，外科手術(shù)可能失敗，基因編輯脫靶的風(fēng)險(xiǎn)幾乎無法避免,，只要概率在可接受范圍內(nèi),，就是可行的?！耙簿褪钦f,，當(dāng)希望大于風(fēng)險(xiǎn)，就有人會(huì)去做,，甚至在沒有選擇時(shí),，我們不得不去做。”
