随着基因编辑技术的发展，CRISPR-Cas9基因编辑系统已成功用于各种生物体的基因组编辑，靶向基因编辑猴、基因敲入食蟹猴、亨廷顿舞蹈症基因敲入猪都是成功案例。但不可否认的是，有关编辑效率和脱靶效应的争议一直存在。很多人认为基因编辑的结果更像是随机的，无法预测，甚至可能产生意想不到的各种“bug”。上个月，在全球热议的“基因编辑婴儿”事件中，除了伦理方面质疑，另一个争议点就是脱靶效应以及基因编辑结果的评定。结果不可预测、脱靶效应已经为基因编辑技术的发展和应用带来了极大的困扰。

为解决这一问题，众多科学家在基因编辑技术提升、改善脱靶效应等方面不懈努力，也有科学家想要在结果预测方面取得突破。近日，有一个研究团队在基因编辑结果预测方面有了新发现，CRISPR-Cas9基因编辑系列过程的背后有一种简单可预测的模式。或许这将从根本上改变我们使用CRISPR技术的方式，使我们能够更精确地研究基因功能，加速科学研究进程。

来自英国Francis Crick研究所的研究人员对CRISPR-Cas9基因编辑的人类细胞中的近1500个靶点进行了系统分析，发现CRISPR-Cas9介导的编辑结果是可预测的，不同位点间的基因编辑精确度（即特定indel的重现性）差异较大，某些靶点高度偏好一种indel，而另一些则显示出许多不常见的indel。12月14日，该研究结果发表在Molecular Cell上。

研究成果概述图

为研究Cas9核酸酶诱导的indel模式，研究人员选择了450个核基因中的1491个位点（每个基因至少选择3个位点），并使用具有高预测活性的多个sgRNA对其进行定位。研究结果显示，共有1248个位点显示出可检测到的indel，每个靶点有1个到188个数量不等的indel，中位数为32。

在该研究中，研究团队观察到多种常规编辑模式。其中，44％和26％的靶点分别显示单核苷酸插入或缺失，是大多数靶点最常见的indel类型。还有41个核苷酸位点显示出较长片段的缺失。根据聚类分析结果，研究人员将表现相似indel模式的靶点分为4种，即偏好小片段插入，小片段缺失，长片段缺失以及无明显偏好的位点。平均而言，给定位点最常见的indel频率为34.1％。

研究团队指出，约五分之一的靶点至少有50%的机会能诱导特定的indel。某些位点会出现多个不常出现的不同indel，而一些位点会主要显示某一indel。表明不同位点不仅对基因编辑的类型有不同的偏好，而且在数量上也有偏好，CRISPR基因编辑的精确度在特定位点是可以预测的，但并不是所有位点都可以。

基因编辑精度与indel特征的关系

数据分析表明，基因编辑精度与编辑效率、indel类型和indel大小有关，并且某些DNA序列对编辑精度有显著影响。如PAM序列（一种可被Cas9蛋白特异性识别并切割的短核苷酸基序）上游的四个核苷酸会对编辑精确度产生影响，其中第四个单核苷酸的影响最大。虽然第二、第三和第五个核苷酸也有作用，但都比第四核苷酸弱。值得注意的是，仅一个“T”的存在，就能以一种可预测的方式使该位点的修复概率达到51%，以及91%的概率引入插入。研究人员认为，精确靶点和基因编辑结果或许可以根据这一简单规则进行预测。

CRISPR诱导的indel常常导致移码突变。平均而言，80.1%的indel会在一个特定的位点被诱导，进而破坏基因编码框。该研究中，所有检测到的indel中有81%导致了移码突变，有3个位点对编码框内indel显示出强烈的偏好，表明在某些情况下，有些位点很难成功诱导基因敲除。

该研究发现有助于我们检测不同位点的基因编辑精确度，在很大程度上揭示了基因编辑精确度的范围。如果能够提前预知某一特定位点的基因编辑偏好性和编辑结果，将有助于科研及临床应用中期望编辑序列的研究。此外，indel模式具有极高的重现性，选择精确的靶标并在模型系统中进行实验验证，可以大大提高临床应用的安全性。

基因编辑技术对于生命科学发展的意义毋庸置疑。长久以来，人们对其编辑结果不可预测的争议，在一定程度上限制了该技术的应用推广。该最新研究发现在特定位点的CRISPR基因编辑结果可预测，证明我们对基因编辑技术的认识还只是冰山一角，在技术的背后还有更多需要我们去探索。同时，在可预知结果的前提下，相信CRISPR-Cas9技术的应用也会越来越广泛。希望在不远的未来，基因编辑技术能够为疾病治疗等众多研究领域开启新的大门。

参考资料：

1. Target-Specific Precision of CRISPR-Mediated Genome Editing

2. Genome Editing Patterns Could Help Predict CRISPR Outcomes