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小冰冰传奇折扣平台 《科学》双重磅:单碱基编辑技术首暴脱靶危机!两中国团队分别发现,特定碱基编辑器导致的SNVs达正常情

来源:作者:匿名 | 时间:2020-01-10 14:38:13

这足以引起科学家的重视,警惕基因组编辑技术,尤其是碱基编辑器研究和应用中的隐患。一种碱基编辑器的结构中科院神经所的杨辉研究员带领一个联合团队,对碱基编辑器在动物基因组上的脱靶情况,进行了检测。cbe脱靶造成的威胁是可见的。不得不引发人们对碱基编辑器脱靶效应的深思。而其他学者进一步表示,要深入探索造成突变的原因,进而加以改进。   

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小冰冰传奇折扣平台,自基因组编辑技术横空出世以来,人们就对它寄予了无限厚望。利用该技术治疗疾病、探索生命奥秘的各种研究也纷纷登场。

而能够精确修改单个碱基的碱基编辑器(be)的诞生,又将这种渴望推上了一个新的高度。

然而就在今天,两个中国团队,中科院神经所杨辉领导的团队和遗传与发育所高彩霞领导的团队,在《科学》杂志上背靠背发表两篇研究论文,向这个领域投下了重磅炸弹!

杨辉团队发现,一种碱基编辑器cbe(胞嘧啶碱基编辑器),会在小鼠胚胎细胞中制造了大量的非目标编辑,平均每个细胞出现了283个单碱基突变(snvs),是正常情况的20倍[1]。这个结果得到高彩霞团队的支持,他们在水稻中也发现了碱基编辑器的严重脱靶现象,cbe在水稻全基因组上制造了大量snvs[2]。

这两项研究,首次将碱基编辑器的阿克琉斯之踵,清晰地展现在了人们眼前。这足以引起科学家的重视,警惕基因组编辑技术,尤其是碱基编辑器研究和应用中的隐患。

左:高彩霞 右:杨辉

说到基因编辑技术,人们最先想到的一定是现在大热的crispr/cas9系统。

但是,crispr/cas9系统也面临着一个无法回避的问题,那就是它编辑的结果不够精确,甚至不可控制。

crispr/cas9系统工作时,必须要先在双链dna的目标位置,剪上一刀(两条链都剪断),然后让细胞自己去修复。修复的时候有出错的可能,这样就会引入突变,实现了对基因组目标序列的修改[3]。

可是,这些突变往往是不可控的,碱基多几个、少几个(indel)或者换几个,都有可能。也就是说crispr/cas9系统,并不能让你把基因想怎么改就怎么改。

如果你只需要把某个基因破坏掉,crispr/cas9系统是可以胜任的。

但是想要对某个位点进行精确修改,它就很难做到了,如治疗地中海贫血病。而这类点突变造成的遗传病,又占了人类所有遗传病的一大半。此外,还有其他与点突变有关的疾病,如癌症(p53突变)等,crispr/cas9系统基本上是束手无策的。

不同变异造成的遗传病

这个时候,碱基编辑器(base editor, be)出现了。

2016年,华人科学家刘如谦博士(david liu)对crispr/cas9系统进行了修改,将剪刀换成了涂改器,首次将dna上的c改成了t,称之为胞嘧啶碱基编辑器(cbe)[4]。

2017年,他又再接再厉,成功发明了能将a改为g的碱基编辑器,称为腺嘌呤碱基编辑器(abe)[5]。

有了cbe和abe的组合,我们就能任意修改dna上的单个碱基了(利用碱基互补原则)。

听起来很完美,可问题却还是存在。

crispr/cas9系统有时会出现严重的脱靶问题,大家都知道,我们也称曾做过报道。

crispr/cas9系统脱靶的原因,在于它的cas9酶(也就是剪刀)有时候会不遵循grna的引导,在dna的非目标区域乱剪一气,由此造成脱靶。

把剪刀换成涂改器就安全了吗?

还是让实验数据来说话。

一种碱基编辑器的结构

中科院神经所的杨辉研究员带领一个联合团队,对碱基编辑器在动物基因组上的脱靶情况,进行了检测。他们对crispr/cas9系统、cbe、abe这几种基因编辑技术进行了比较。

为了避免自然突变造成的误差,研究人员发明一种叫goti的技术。这个技术是将小鼠二细胞胚胎进行编辑,被编辑过的细胞会带荧光,而未编辑的细胞不带荧光。

然后让这个胚胎继续发育,等到14.5天后,胚胎拥有了足够的细胞,将其消化为单细胞。用流式细胞仪将编辑过或未编辑过的细胞分开。编辑过的细胞和未编辑过的细胞都来自同一个胚胎,就可以相互对照,最大程度地消除自发突变的影响。

对这些细胞进行单细胞全基因组测序,比较各个编辑器引起的单碱基突变(snvs)发现,cbe(be 3.0)编辑过的胚胎上平均拥有283个的单碱基突变,其中90%是c到t的突变(cbe的能力),是阴性对照(自发突变)的20倍!而crispr/cas9、abe等系统造成的突变数量,和自发突变类似。

cbe(be3)引起的点突变远多于其他

而且,cbe造成的突变中,1个突变出现在了原癌基因上,而13个突变出现在了抑癌基因上。cbe脱靶造成的威胁是可见的。

此外,他们还检测了基因组上indel 形式的脱靶(主要是crispr/cas9系统引起的),发现每个细胞平均只有0-4个indel。crispr/cas9系统引起的脱靶概率,并没有人们担忧的那么高。

高彩霞研究员实验室在水稻中也发现,cbe,而不是abe会在全基因组上引发过多的突变。而且无论加不加grna进行引导,突变都会出现。

两种cbe(be3)引起的突变明显更多

这两个独立进行的实验,分别在不同的模式物种中,得到了一致的结果。不得不引发人们对碱基编辑器脱靶效应的深思。

作为碱基编辑器的发明人,刘如谦博士表示,总的来说,这些脱靶仍很罕见,不太可能影响实验室对该技术的使用。但是,这些足以让任何打算在病人身上使用这项技术的人感到担忧。

而其他学者进一步表示,要深入探索造成突变的原因,进而加以改进。

韩国著名crispr技术研究者,jin-soo kim教授说道“这两篇论文非常有趣,也非常重要。现在重要的是确定哪些成分引起了这些额外的突变,以及如何减少或避免它们。”[6]

abe与cbe的差异就在于所带的涂改器(酶)不一样,因此也造成了脱靶结果不一样。这也为科学家们提供了观察和改进的窗口。

事实上,很多科学家并没有对这个消息抱以悲观的态度,这也不会扑灭他们研究的热情。很多实验室已经重新启程。

编辑神叨叨

伟大成果的出现总是一波三折,基因编辑技术出现才这么几年,人们也应该给足够的时间让科学家去完善它。想想第一台电子计算机出现,到真正改变世界,用了多久?

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参考资料:

[1] erwei zuo et al. cytosine base editorgenerates substantial off-target single-nucleotide variants in mouse embryos. science,28 feb, 2019, eaav9973 doi: 10.1126/science.aav9973

[2] shuai jin et al. cytosine, but notadenine, base editors induce genome-wide off-target mutations in rice. science,28 feb, 2019: eaaw7166, doi: 10.1126/science.aaw7166

[3] rees h a, liu d r. base editing:precision chemistry on the genome and transcriptome of living cells[j]. naturereviews genetics, 2018, 19(12): 770-788.

[4] komor a c, kim y, packer m s, et al.programmable editing of a target base in genomic dna without double-strandeddna cleavage[j]. nature, 2016, 533(7603): 420-424.

[5] gaudelli n m, komor a c, rees h a, etal. programmable base editing of a•t to g•c in genomic dna without dnacleavage[j]. nature, 2017, 551(7681): 464-471.

[6]https://www.sciencemag.org/news/2019/02/crispr-offshoot-still-makes-mistakes-editing-dna-raising-concerns-about-its-medical-use

本文作者 | 低温艺术家

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