可能导致突变,意外突变

日期:2019-08-15编辑作者:生命科学

CRISPR-Cas9基因编辑技术以其简易、高效和多样化的特点,目前正被广泛应用于各类模式生物中的基因功能研究,其中最受瞩目的当属将该技术应用于人类疾病的相关基因治疗之中。

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特别值得一提的是,来自四川大学华西医院肿瘤学家卢铀教授及其研究小组,率先在全球范围内开展首个CRISPR-Cas9基因编辑临床试验治疗肺癌,一时引起业界轰动,得到了国内外各大媒体的广泛关注。去年11月15日,美国《Nature》杂志还以“CRISPR gene-editing tested in a person for the first time”为题作了相关报道。

问世短短几年的CRISPR俨然已成为生命科学领域最耀眼的“明星”之一。除了作为常规的科研工具,这一被称为“魔剪”的基因编辑工具还被寄予了用于疾病治疗的厚望。目前,来自全球各国的科学家们正在开展CRISPR用于多种疾病治疗的研究,包括癌症、艾滋病、失明、免疫缺陷病症、杜氏肌营养不良症、镰状细胞病等。一些基于CRISPR的临床试验也正在进行中。

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然而,想要CRISPR技术真正用于人类疾病治疗,其有效性和安全性必须得到保证。目前,这一颠覆性技术的“脱靶效应”一直是阻碍其应用的关键障碍之一。所谓“脱靶效应”,简单来说,就是编辑了“预想之外”的基因,带来各种不可控的不良后果。

然而,近日几篇外媒的报道使得CRISPR-Cas9基因编辑技术用于人类基因治疗蒙上了一层阴影。据报道,Nature Methods杂志即将发表了一项来自美国哥伦比亚大学医学中心(Columbia University Medical Center)关于《CRISPR-Cas9技术可引发基因组上发生数百个意想不到的的基因突变》的研究论文。

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该论文的重要作者之一,Stephen Tsang(哥伦比亚大学医学中心/人类营养研究所眼科学、病理和细胞生物学副教授)对美国媒体公开表示,“我们认为科学共同体所考虑到的CRISPR脱靶效应导致的基因突变所产生的潜在危害是至关重要的,这些突变包括单核苷酸突变以及基因组非编码区产生的突变”。

那么,CRISPR的这种“脱靶效应”究竟有多严重呢?近日,国外多家媒体报道了于5月30日发表在Nature Methods杂志上题为“Unexpected mutations after CRISPR-Cas9 editing in vivo”的论文。研究称,CRISPR能够引入数百种意想不到的突变到基因组中。

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该研究的共同作者Stephen Tsang博士说:“我们认为这是至关重要的。科学界应该考虑由CRISPR导致的所有脱靶突变的潜在危害。”

哥伦比亚大学官网对Stephen Tsang教授的介绍

因其速度和精度优势,CRISPR的出现对于那些致力于研究基因在疾病中作用的科学家来说是大大的福音。该技术还为开发更“强大”的基因疗法带来了新的希望。目前,中国正在开展首个CRISPR临床试验(Nature:中国进行全球首个CRISPR技术人体应用,治疗肺癌),美国也将于明年开始相关试验。

CRISPR-Cas9基因编辑技术从诞生之日起,关于该技术潜在的脱靶效应一直是个受人关注的话题,尽管此前也有不少课题组努力改进该项技术尽可能地减少其脱靶效率,但是似乎脱靶是难免的。针对CRISPR-Cas9的脱靶效应,目前科学家也开发了许多算法用于寻找可能的脱靶位点。

然而,正如前文所说,尽管CRISPR能够精准靶向DNA中的特定区域,但它有时也会“击中”基因组中的其它部位,即产生“脱靶效应”。

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此前,大部分研究搜索这些脱靶突变的方法是:先利用计算机算法鉴定出最可能被“错误击中”的区域,然后再检查这些“危险区域”的缺失和插入情况。

CRISPR-Cas9基因结构示意图

这项新研究的共同通讯作者Alexander Bassuk教授说:“当用CRISPR编辑培养皿中的细胞或组织时,这些预测算法做得很好。但是,之前,全基因组测序从未被用来搜索活体动物中的所有脱靶效应。

在这项研究中,研究人员对课题组此前获得的进行过CRISPR基因编辑的小鼠进行了全基因组测序,旨在寻找所有的CRISPR 引发的基因突变,包括那些单碱基突变。

该研究中,科学家们对先前经受过CRISPR基因编辑的小鼠进行了全基因组测序。他们希望查找CRISPR引起的所有突变。结果发现,CRISPR确实成功纠正引发失明的基因,但两只接受了基因治疗的小鼠的基因组中存在超过1500个单核苷酸突变以及超过100处更大片段的缺失和插入。需要强调的是,这些DNA突变都没有被计算机算法预测出来。

研究人员在确认了两只小鼠体内已经用CRISPR技术成功修复了导致小鼠失明的基因之后,通过全基因组测序后发现小鼠体内有超过1500个单核苷酸发生突变,并且有100个以上的位点发生发生了大片段的缺失和插入。值得一提的是,上述这些突变无一通过计算机设置的算法预测到。

Tsang博士说:“没有使用全基因组测序来寻找脱靶效应的研究人员可能会错过潜在的重要突变。即使是一个单个核苷酸变化也会产生巨大的影响。我们希望,这一研究结果能够鼓励其他人使用全基因组测序作为确定CRISPR技术所有脱靶效应的方法,从而达到更安全、更精准的基因编辑。”

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对于CRISPR技术用于疾病治疗的前景,该研究的共同通讯作者Vinit Mahajan博士说:“我们依然对CRISPR持乐观态度。作为医生,我们知道,每一种新疗法都有一些潜在的副作用,但我们需要知道这些副作用是什么。”

Nature Method论文中的部分关键实验结果统计,图中表示的是两只小鼠中的突变情况统计

针对这项研究,生物探索第一时间采访了国内的相关专家。康立明生物创始人邹鸿志博士表示,基因编辑的临床应用之路将不平坦。

Stephen Tsang博士进一步表示道,“研究人员一般并不会使用全基因组测序手段去检测脱靶效应导致的基因突变位点,并且可能忽视了潜在的重要突变位点,因为即便是单碱基突变也有可能造成较大的影响。并且希望他们的研究能够鼓励其它相关研究人员也使用全基因组测序技术去检测使用CRISPR技术所致的突变位点,带动研究人员开发出更加安全和精准的基因编辑技术”。

此外,不久前,小编在与一位国内基因编辑领域一线学者交流时,他曾谈到基因编辑疗法的临床应用问题。他说:“如果大家认为这项颠覆性的技术会很快“落地”,那可能会让大家失望;但另一方面,传统的新药研发往往需要十年,甚至更久,如果从这个角度来说,可能基因编辑疗法的“落地”会相对要快。至于快到什么程度,最终还是要看临床试验的结果以及法律法规的支持。”

据悉,这篇论文将会以“Unexpected mutations after CRISPR-Cas9 editing in vivo”为题发表在Nature Methods上,其它作者还包括Kellie A. Schafer , Wen-Hsuan Wu (Columbia University Medical Center), and Diana G. Colgan 。

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