CRISPR-Cas9基因組編輯技術(shù)目前在動植物中已被廣泛用于基因改造研究。其作為一種有前途的技術(shù)，也被期望作為矯正致病突變的工具用于臨床應(yīng)用，例如校正體細(xì)胞中與疾病相關(guān)的等位基因，以及糾正人類胚胎中的致病突變以減輕胎兒和新生兒遺傳性疾病的負(fù)擔(dān)。然而，基因編輯的應(yīng)用最終取決于靶向雙鏈斷裂（DSB）觸發(fā)的DNA修復(fù)。目前，我們對人類細(xì)胞中的修復(fù)機制仍然知之甚少，且其在不同的細(xì)胞類型中會有所不同。

圖片來源：PascalGoetgheluck/ Science Photo Library

近日，《Nature》雜志對發(fā)表在醫(yī)學(xué)類預(yù)印本雜志《bioRxiv》上的三項評估早期人類胚胎中基因校正可行性的研究成果進(jìn)行了綜述和點評。其研究結(jié)果均表明，使用CRISPR–Cas9修飾人類胚胎的基因的突變修復(fù)效率低，鑲嵌率高，且可能對靶位點或其附近的基因組造成不必要的大變化。

doi: 10.1038/d41586-020-01906-4

具體來說，6月5日，《bioRxiv》在線發(fā)表了來自英國倫敦弗朗西斯·克里克研究所的Kathy Niakan團(tuán)隊的研究成果。其使用CRISPR–Cas9對胚胎進(jìn)行POU5F1（該基因在成人組織中的異常表達(dá)與腫瘤發(fā)生有關(guān)）基因突變后，觀察到編輯后的細(xì)胞中雜合性喪失。在18個經(jīng)過基因組編輯的胚胎中，約22％出現(xiàn)了意外的基因組編輯結(jié)果。該細(xì)胞跨越目標(biāo)靶位點POU5F1以外的區(qū)域，以及POU5F1基因所在的6號染色體的片段均存在缺失和重排，影響了POU5F1周圍大量的DNA片段。

在POU5F1靶向胚胎樣本中，6號染色體的片段缺失/增加是普遍的

6月20日，該雜志發(fā)表了來自美國哥倫比亞大學(xué)的干細(xì)胞生物學(xué)家Dieter Egli領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊對人類胚胎進(jìn)行CRISPR–Cas9研究的成果。形成該胚胎的精子在EYS2的基因中攜帶導(dǎo)致失明的突變，而研究人員試圖利用CRISPR–Cas9糾正該突變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，胚胎細(xì)胞中最常見的DNA修復(fù)結(jié)果是微同源性介導(dǎo)的末端連接，其導(dǎo)致胚胎的閱讀框發(fā)生非鑲嵌式恢復(fù)。然而，其中大約一半的斷裂會未被修復(fù)，導(dǎo)致胚胎丟失了EYS所在染色體的很大部分，有時甚至是整個染色體。

Cas9 RNP注入雙細(xì)胞期胚胎后染色體丟失和嵌合體

同日，來自美國俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)的生殖生物學(xué)家Shoukhrat Mitalipov團(tuán)隊的研究發(fā)現(xiàn)，基因轉(zhuǎn)化和NHEJ是植入前人類胚胎中的兩種主要DNA DSB修復(fù)機制。在雜合性人類胚胎中的突變等位基因的DSB，通過使用完整野生型同源物作為模板在多達(dá)40％的目標(biāo)胚胎中可通過基因轉(zhuǎn)化來修復(fù)，而靶向純合基因座可促進(jìn)非同源末端連接（NHEJ）與基因轉(zhuǎn)換的相互作用，并導(dǎo)致在兩個基因座上均攜帶相同indel突變的胚胎。盡管基因轉(zhuǎn)換可用于基因校正，但其也會導(dǎo)致廣泛的雜合性（LOH），帶來了嚴(yán)重的安全隱患。

MYBP3胚胎基因轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的LOH

這三項研究均顯示出CRISPR基因編輯會導(dǎo)致胚胎染色體發(fā)生混亂，產(chǎn)生較大的DNA缺失和重排，這一結(jié)果也增加了科學(xué)家們對可遺傳基因組編輯的安全性擔(dān)憂

參考資料：

[1] CRISPR gene editing in humanembryos wreaks chromosomal mayhem

[2] Frequent loss-of-heterozygosityin CRISPR-Cas9-edited early human embryos

[3] Reading frame restoration at theEYS locus, and allele-specific chromosome removal after Cas9 cleavage in humanembryos

[4] FREQUENT GENE ConVERSION IN HUMANEMBRYOS INDUCED BY DOUBLE STRAND BREAKS