基因編輯到底會不會脫靶？中國科學家用最新研究給出了解答

　鬼谷藏龍 發表於  昨天15:36

　　|· 本文來自「我是科學家」·|

　　自從以CRISPR/Cas9為代表的基因編輯技術被發明以來，有一個詞就像幽靈般盤旋在這個領域中，那就是「脫靶」。人人都討論它，人人都害怕它，但卻沒人看得到它。

　　

　　圖片來源：Pixabay

　　然而在昨天，這個幽靈終於被人抓住了，中科院神經所楊輝實驗室團隊與合作者開發了一套名為GOTI的新技術，讓基因編輯的脫靶從此無所遁形，相關論文發表在3月1日的《科學》（Science）上[1]。

　　

　　GOTI新技術讓基因編輯的脫靶從此無所遁形。

　　一槍打在了別人的靶子上

　　在2004年雅典奧運會男子50米步槍三姿決賽中，美國選手埃蒙斯遙遙領先，到了要打最後一槍的時候，他已然遙遙領先第二名整整三環。勝卷在握的他屏息凝神開了這一槍，又一次把子彈準確送到了差不多是靶心的位置，然而他的記分牌上卻顯示出一個匪夷所思的成績：

　　脫靶。

　　原來埃蒙斯犯了一個莫名其妙的錯誤——他最後一槍打在了別人的靶子上。

　　

　　埃蒙斯：我怎麼會……圖片來源：GETTY IMAGES

　　奧運會的頂尖選手如此，生命科學的頂尖技術亦是如此。

　　近年來很火的技術「基因編輯」，就有這個問題。儘管以CRISPR/Cas9等為代表的新一代基因編輯以精確著稱，但它們時不時就是會犯這種「打到別人靶子上」的毛病——我們本來要讓它去編輯A基因，但它卻意外搞壞了B基因。

　　基因編輯的脫靶和奧運選手的脫靶一樣都是極小概率的事件，但常在河邊走哪能不見鬼，每一次基因編輯操作，本質上都是成千上萬的基因編輯工具對著成千上萬的細胞做了成千上萬次編輯，焉能保證次次不失手呢？

　　

　　圖片來源：圖蟲創意

　　奧運選手脫靶最多丟塊金牌，基因編輯脫靶了，丟的沒準就是性命了。然而基因編輯技術宛如一輛勢不可擋的戰車，正以雷霆萬鈞之勢向著臨床領域疾馳而來。

　　然而這歷史的車輪真的不能擋嗎？又該不該擋一下呢？

　　查明脫靶率可沒那麼容易

　　還是拿奧運會打個比方吧，雖然奧運選手脫靶是個小概率事件，但是只要觀察的次數足夠多，就能夠統計出他平均中靶多少次會出現一次脫靶，這個就是就叫做「脫靶率」。

　　知道了脫靶率，我們才能制定一個標準。比如說規定平均一萬槍內不能出現超過一次脫靶，張三脫靶率是千分之一，那他就不合格；李四脫靶率千萬分之一，那他就值得信賴。

　　然而頗顯尷尬的是，這麼多年來，無論是支持基因編輯脫靶還是反對基因編輯脫靶，大家很大程度都只憑著一種「信仰」，卻從來沒有人真正弄清過基因編輯的脫靶率到底是多少。

　　這是因為，基因編輯的脫靶率真的太難檢測了。

　　射擊運動員的脫靶率可以直接「數」出來，基因編輯的脫靶率該怎樣計算呢？也許有人會說，這很簡單呀，把一批樣本分成兩組，一組做基因編輯，一組不做，然後比對一下兩組的基因差異不就成了么？

　　2017年， Bassuk等幾位科學家還真就這麼幹了[2]，他們用CRISPR/Cas9技術編輯了幾枚小鼠的受精卵，等這些受精卵發育成小鼠出生后檢測了它們的基因，並將其與同一品系的其它小鼠作對比，結果居然發現了「一千多處難以預料的基因突變」。

　　儘管這個結果立馬成了各大媒體的頭條，但它卻受到了學術圈內一致的口誅筆伐，因為這個檢測犯了一個很低級的錯誤：世界上沒有兩隻基因完全一樣的小鼠。Bassuk的實驗無法區分比對出來的基因差異究竟來自於基因編輯，還是小鼠之間本來就有的個體差異。

　　在一片指責聲中，來自中科院神經科學研究所楊輝實驗室的博士后左二偉（還記得嗎？就是那個敲染色體的 CRISPR又有新用場了！這或許是唐氏綜合征患者的福音 ）卻萌生了一個清奇的想法，當時他一拍大腿說，艾瑪好機會啊，只要立刻用非常嚴謹的科學方法重做一下論文的工作，然後得出否定的結論反駁它，不就白撿一篇Nature methods嘛。

　　做著做著，他就發現，這個「非常嚴謹的科學方法」其實並不簡單（不然早幾年全世界的科學家不就早該做了么）。更慘的是，他的工作鋪開沒過多久，Bassuk的論文就被撤稿了（詳情請見：震驚！國際頂尖期刊宣布CRISPR有毒！震驚again！它又撤稿了！）。

　　不過，左二偉博士還是決定研究下這個問題，世界上不是有一句魔咒叫做「來都來了」嘛，順便做做看吧……

　　一念之間的歷史的走向

　　經過與導師的討論，一個可以精準檢測脫靶的方案還真的慢慢成型了。然而正是在左二偉博士「順便」研究脫靶問題的這段時間裡，基因編輯臨床化的腳步卻在日益加快。

　　2018年1月，美國批准了賓州大學一項利用CRISPR/Cas9修復免疫缺陷的臨床試驗。

　　2018年8月，歐洲多個國家批准了張鋒的CRISPR Therapeutics公司的用CRISPR/Cas9治療β地中海貧血症的臨床試驗。

　　2018年11月，解放軍總醫院的基於基因編輯T細胞治療癌症的臨床試驗申請也被通過。

　　更遑論2018年11月份，原南方科技大學副教授賀建奎公然宣布自己做出了人類首例基因編輯嬰兒。細思極恐的是，賀建奎之後，居然還有不少力挺他的聲音，其中不乏國際最頂尖的科學家。

　　張鋒和David Liu等等也是極大地加快了基因編輯臨床化的速度。

　　

　　張鋒在他的實驗室中。 圖片來源：sciencenews.org

　　畢竟，誰第一個取得了臨床化基因編輯的突破，誰就率先霸佔了一塊醫療的制高點，這其中的利益真的太誘人了。乃至一時之間萬馬奔騰，有些人似乎已經不在乎這其實還是一項風險未知的技術了。

　　突然之間，左二偉博士乃至整個楊輝實驗室都好像無意中站在了歷史的節點上，這個隨手做做的課題突然將會變得足以決定這個領域的歷史走向——

　　檢測出來如果證明基因編輯不易脫靶當然皆大歡喜，但如果證明它容易脫靶呢？且不說楊輝自己實驗室里那些涉及基因編輯向臨床轉化的課題將面臨考驗，還可能由此在行業內掀起一場地震。

　　最終，左二偉博士在與導師楊輝研究員以及所長蒲慕明等人商議后，大家還是決定繼續做下去，畢竟……

　　得有人站出來承擔這個責任呀。

　　檢測脫靶，阻礙重重

　　阻礙檢測脫靶率的，除了「個體差異」外，還有另一個障礙。

　　什麼障礙呢？我們繼續用射擊做比方：能得分的目標靶子通常是唯一的，而目標外的「別人家的靶子」可就是千千萬萬各有不同了。想象一下，如果隨便撒一把CRISPR/Cas9去編輯十萬個細胞的基因，假設每個都脫靶，且這些脫靶都是隨機產生的，那麼這十萬個細胞最多就會有十萬種脫靶，每一種脫靶形式只佔了所有樣本的十萬分之一，這種微乎其微的異常幾乎不可能被檢測出來。

　　因此，脫靶檢測需要依賴所謂的「單細胞測序」，通俗來說，就是實驗組和對照組都只有一個細胞。這樣的對比當然就能很容易發現差別，但是很顯然，一個細胞那一丁點DNA是根本不夠拿來檢測的。為了解決這個矛盾，就要用到「體外擴增」技術，把那一丁點DNA樣本複製成千上萬份，直到數量滿足檢測所需為止。

　　

但是，人類發明的任何體外擴增體系都是不完美的，無法做到100%精確拷貝最初的DNA樣本，每一次複製都會帶入一丁點錯誤。就像複印文稿總比原稿品質差一些一樣，經過千萬次複製再複製，就足以讓這份DNA樣本變得面目全非，干擾檢測結果。

　　多次下載圖片再重新上傳也會導致圖片文件出現明顯的「劣化」。

　　這一切引入的「噪音」甚至比脫靶信號本身還要高出好幾個數量級，這宛如是在汪洋大海中尋找一滴水一般。

　　一舉三得該如何實現？

　　找到這滴水的唯一辦法就是讓大海（各種干擾因素）消失。左二偉博士與導師楊輝還真的想到了一種絕妙的方式，同時解決了這三個問題。

　　為了避免個體差異，我們又需要找到兩個基因一模一樣的細胞，為了凸顯脫靶的信號，我們又需要用到「單細胞測序」，然後我們還不能用體外擴增來複制這兩個細胞的DNA，卻又需要很大量的DNA樣本來做測序分析。

　　首先最容易解決的就是找兩個基因完全一模一樣的細胞。我們知道，多數動物都是從一個受精卵發育而來的，這個受精卵一分為二，二分為四……等等，在它一分為二的時候，我們稱之為「二細胞期胚胎」階段，不就是兩個現成的基因一模一樣的細胞嗎？

　　

　　只要向其中一個注射基因編輯工具，另一個就是世界上最佳的對照。

　　其次，一個細胞的DNA不是不夠檢測么？沒關係，注射完畢后我們直接把這個二細胞胚胎植入母鼠的子宮當中，讓它正常發育，這樣得到的小鼠胚胎中，理論上就有一半細胞經歷過基因編輯，另一半則沒有經歷過過。

　　這時候，左二偉博士直接將發育長大的小鼠胚胎取出來，用一些特殊的酶消化成一大堆分散的細胞。利用一些方法，我們可以追蹤當時那兩個細胞的後代，從這一堆細胞中將它們倆各自的後代分成兩撥。由於這兩撥細胞也是之前的細胞分裂而來，所以它們的基因就相當於是最初那個細胞的複製品。

　　這也順便解決了第三個問題，裂解掉這一大堆足以構建出半個小鼠胚胎的巨量細胞，一次性就能提取到足夠測序分析的DNA，從而避免了體外擴增帶來的噪音。

　　在神經所蒲慕明所長的建議下，研究團隊將這套系統命名為GOTI。可以說，這套系統的推出，標誌著人們終於得以用數字來衡量基因編輯的脫靶率。

　　

　　GOTI的技術流程：在二細胞期向一個卵裂球注射基因編輯工具，並用CRE使之本身以及後代細胞都發出紅色熒光。等小鼠胚胎髮育到14.5天後取出母體，利用流式細胞儀將兩個卵裂球的後代分開，並各自全部消化掉提取DNA來做測序分析。

　　哪種基因編輯易脫靶？我們挨個測一下

　　終於到了檢測工具一顯身手的時候。它接下來要幫助人們回答的關鍵問題就是：那些常見的基因編輯工具真的會脫靶嗎？在GOTI的神威下，一切清晰了起來。

　　首先，值得慶幸的是，最經典的spCas9系統經受住了考驗。結果顯示，它引起異常基因突變的可能性不高於小鼠自身細胞分裂帶來的本底基因突變。就是說，從目前的檢測結果來看它是安全的。

　　

　　CRISPR-Cas9系統已經成為目前最方便的基因編輯工具。圖片來源：origene.com

　　與此同時最令人大跌眼鏡的發現是，另一類叫做單鹼基突變系統（Base Editor）的基因編輯工具有著異常高的脫靶率。所謂的單鹼基突變系統，大致上可以理解為我們先設計一個只能精確靶向但不會切割DNA的Cas9蛋白，然後讓這個Cas9蛋白牽著一個能夠通過化學方法將某個鹼基定向突變（比如A→T）的酶來給DNA鏈中引入點突變。

　　原本這套系統因為不會引入DNA斷裂，被視為特別安全的一類基因編輯技術，人們從來不覺得它會脫靶，之前的脫靶檢測也完全沒有發現它有任何脫靶的跡象。因此以劉如謙（David Liu）等為代表的一群科學家長期都在致力於將這項技術作為基因編輯向臨床進軍的急先鋒。

　　

　　通過檢測發現，經典的CRISPR/Cas9並沒有顯著的脫靶現象，但是單鹼基編輯系統BE3則出現了高出背景基因突變水平數倍的脫靶現象。

　　這時候研究團隊才突然意識到，就算Cas9沒有在sgRNA帶領下跟任何DNA序列結合，那個能夠引起鹼基定向改變的酶也依舊存在，它完全可以像任何在細胞里遊離的酶一樣，讓任何偶然接觸自己的鹼基發生化學反應。這樣的系統天然就有高脫靶率的，可能之前大家對「沒有DNA鏈斷裂就沒有脫靶」形成了思維定勢，才會忽視這一安全漏洞。

　　長久以來，因為缺少令所有人都信服的脫靶檢測技術，基因編輯的脫靶問題被吵吵嚷嚷了五年多，也讓這個領域在此期間一直處於野蠻生長的狀態。

　　

　　圖片來源：圖蟲創意

　　如今，GOTI出現了，規則還會遠嗎？（編輯：Yuki）

　　參考文獻：

　　Zuo, E.#, Sun, Y.#, Wu, W.#, Yuan, T.#, Ying, W., Sun, H., Yuan, L., Steinmetz, L., Li, Y.*, Yang, H.*(2019)Cytosine base editor generates substantial off-target single nucleotide variants in mouse embryos. Science Online

　　Schaefer, K. A., Wu, W. H., Colgan, D. F., Tsang, S. H., Bassuk, A. G., & Mahajan, V. B. (2017). Unexpected mutations after CRISPR-Cas9 editing in vivo. Nature methods, 14(6), 547-548.