人类基因组本身可能并非是一个完美的体系，每个人的基因组都可能带有各异的致病突变。在破解了人类基因的密码后，通过基因修饰的方法改造某些致病基因，从而消除疾病隐患，最终达到促进人类健康、长寿的目的，从原理上来说是生命科学领域的一个重要努力方向。近年来发展起来的以CRISPR-Cas9为代表的基因编辑技术，特别是该技术在人类胚胎中的应用成为了热门话题。但是，基因编辑工具的安全性一直受到了备受质疑，诸如脱靶效应和嵌合体所带来的不确定性和未知的安全风险无疑限制了基因编辑技术的广泛应用，而针对该技术的安全性评估则成为伴随其发展的重要研究工作。

近日，三项先后发布于预印本网站bioRxiv的独立研究发现，在人类胚胎中使用基因编辑可能会在靶位点或其附近的基因组造成不必要的巨大改变，包括大规模的、非预期的DNA缺失和重排，进而带来不可预料的后果。文章尚未经过同行评议，研究人员仅将胚胎用于科研目的，并非出于生殖目的。综合起来，这些研究结果将使科学家更好地了解CRISPR-Cas9基因编辑技术被低估的风险。先前的实验结果表明，该工具可能造成靶位点外的“脱靶”基因突变，但最新研究中发现的靶位点及其附近变化可能会被标准评估方法所遗漏。

在《自然》杂志近日发表的一篇评论文章中，澳大利亚国立大学的遗传学家Gaétan Burgio就以上三项研究结果指出：“这种‘On-target’效应更为重要，而且消除起来会更加困难。”这些安全性担忧可能会引发有关科学家是否应编辑人类胚胎以预防遗传病的持续辩论——这一过程颇具争议，因为它会对基因组造成了永久性的改变，并能够世代相传。美国加州大学伯克利分校的基因编辑研究人员Fyodor Urnov也表示：“如果用于生殖目的的人类胚胎编辑或生殖系编辑是航天飞行，那么新数据就等于火箭在起飞前发生的发射台爆炸。”

事实上，我国中山大学的黄军就团队早在2015年就在伦理可以接受的范围内完成了使用CRISPR编辑人类胚胎基因的首次实验，当时结果表明CRISPR的医学应用存在较大的技术障碍。此后，世界各地的一些团队开始探索这一过程，以期对基因进行更为精准的编辑，但此类研究仍然很少见，并且通常受到严格的监管。从原理是，CRISPR-Cas9基因编辑的关键一步是，细胞主动修复被切割的DNA。而最新的研究表明，人们对这个过程仍然知之甚少。纽卡斯尔大学生殖生物学家Mary Herbert认为，在开始用Cas9核酸内切酶切割DNA之前，我们需要一份详细指南以充分了解细胞里究竟会发生什么。

在6月5日发布的第一项研究中，英国弗朗西斯·克里克研究所的发育生物学家Kathy Niakan及其同事使用CRISPR-Cas9移除了18个胚胎中对胚胎发育和干细胞多能性具有重要意义的POU5F1基因。当他们分析基因缺失的影响时，他们意外地发现其中8个胚胎在POU5F1周围产生了非预期效应（约22%），涉及大量的DNA重排和数千个碱基对缺失。这远远超出了研究人员的通常预期。

另一项发布于6月18日的研究来自哥伦比亚大学干细胞生物学家Dieter Egli领导的研究小组，他们研究了由带有导致失明的EYS基因突变的精子形成的胚胎，试图使用CRISPR-Cas9纠正这种突变。EYS基因是一种最常见的与一种叫做色素性视网膜炎的退行性眼部疾病有关的基因。但他们最终发现，除了预期的变化之外，23个胚胎中几乎有一半在EYS所在的位置丢失了大量的染色体片段，在最极端的情况下，染色体完全消失。

第三项研究由俄勒冈健康与科学大学生殖生物学家Shoukhrat Mitalipov团队完成，他们于6月20日发布了研究结果。该团队尝试纠正MYBPC3基因的突变，此前的研究指出该基因突变和心脏疾病相关联。与其他两项研究类似地，尽管他们成功修复了86个胚胎中近一半的损伤，但他们也报告了基因编辑会影响含有该基因的染色体大部分区域的迹象。

事实上，以上这些变化都是基因组编辑工具利用DNA修复过程的结果。CRISPR-Cas9使用一小段RNA将Cas9酶引导至基因组中具有相似序列的位点。然后，该酶在这个位点切割两条DNA链，而细胞的修复系统可以修复缺口。基因编辑正是在修复过程中发生的：通常情况下，细胞会用一种容易出错的机制来封闭“伤口”，这种机制可以带来少量DNA碱基的插入或删除。如果研究人员人为提供一个DNA模板，那么细胞有时可能会使用该序列来修补“伤口”，从而实现真正意义的改写DNA。但是，断裂的双链DNA也会导致重组或者染色体的一大片区域的缺失。之前在小鼠胚胎和其他人类细胞中使用CRISPR的工作已经证明，编辑染色体会造成巨大的不必要影响。但在人类胚胎中开展并证明这项工作也很重要，因为不同的细胞类型可能对基因组编辑做出不同的反应。

这样的重排可能会在许多实验中被遗漏，因为这些实验通常只会关注单个或几个碱基的突变，从而遗漏了这种大规模的染色体变异。而最近的几项研究则聚焦于寻找靶位点附近的大规模缺失和染色体重排。“科学界的所有人都应立即开始更加认真地对待这一问题。”Fyodor Urnov最后强调，“这不是心存侥幸。”

参考资料：

1. Alanis-Lobato, G. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/0.1101/2020.06.05.135913 (2020).

2. Zuccaro, M. V. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.06.17.149237 (2020).

3. Liang, D. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.06.19.162214 (2020).

4. CRISPR gene editing in human embryos wreaks chromosomal mayhem

https://www.nature.com/articles/d41586-020-01906-4