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(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所與國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的研究者們合作開(kāi)發(fā)，能夠準(zhǔn)確、靈敏地檢測(cè)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(cè)基因編輯脫靶的？檢測(cè)脫靶為什么這么難？檢測(cè)脫靶技術(shù)未來(lái)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(cè)序檢測(cè)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(wèn)世以來(lái)，因?yàn)橛兄鵁o(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，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(lái)越強(qiáng)，漸漸的，憂慮也隨之而來(lái)，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)?，CRISPR等基因編輯工具再?gòu)?qiáng)大，也難以避免“脫靶”效應(yīng)。

如果是拿植物或斑馬魚(yú)、小鼠等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物來(lái)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(lái)。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(wèn)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(cè)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(cè)方法，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是測(cè)序和分析。”劉東介紹說(shuō)，在此之前，人們推出過(guò)多種檢測(cè)脫靶的方案。以前的那些方法不適合在體檢測(cè)單核苷酸的差異。

他以文本編輯打比方說(shuō)：“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(cè)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(shuō)。

另外，在基因測(cè)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(guò)程中，又會(huì)帶來(lái)DNA突變的概率，這就是所謂的“擴(kuò)增噪音”，這樣一來(lái)就更難分辨脫靶與突變。

所以，檢測(cè)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(wàn)的基因編輯工具分子對(duì)細(xì)胞做了多次編輯，脫靶無(wú)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(méi)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(cè)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(méi)有基因編輯的細(xì)胞，再進(jìn)行全基因組測(cè)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(lái)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(wèn)題。”劉東說(shuō)，單個(gè)細(xì)胞中的DNA很少，并不足以做測(cè)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(cè)序，無(wú)需再做體外擴(kuò)增，擴(kuò)增噪音的問(wèn)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(wú)法預(yù)測(cè)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(wèn)題如何避免尚存疑問(wèn)

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(wèn)題。

各國(guó)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(guó)家級(jí)的政府倫理機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，并且不能允許經(jīng)過(guò)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(zhǎng)為人。

而這項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)是需要讓胚胎發(fā)育到較為成熟的階段，在許多國(guó)家墮胎都是違法，更不用說(shuō)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(kāi)了基因編輯檢測(cè)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(lái)看，生命的延續(xù)是基于弱作用力的一個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，基因發(fā)生變化就是一個(gè)概率問(wèn)題，想做到很精準(zhǔn)，我認(rèn)為理論上是不成立的?！眲|這樣認(rèn)為。

GOTI發(fā)現(xiàn)，單堿基編輯技術(shù)有脫靶問(wèn)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(jiàn)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?，在小鼠上?shí)驗(yàn)表明，修復(fù)單堿基突變的基因，聽(tīng)力就能恢復(fù)。”劉東說(shuō)到。

劉東認(rèn)為，未來(lái)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(wú)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(shuō)，當(dāng)希望大于風(fēng)險(xiǎn)，就有人會(huì)去做，甚至在沒(méi)有選擇時(shí)，我們不得不去做?！?/p>