下一代基因组编辑技术

――《自然－生物技术》杂志编辑部寄语

李升伟/编译

[题记]《自然－生物技术》杂志支持近期科学家们的呼吁：呼吁公众对基因组编辑在人类胚系（即生殖系）进行基因组编辑的风险和效益的参与和关注，尤其是基于我们对于人类基因组内改变所带来后果的知识的贫乏。

CRISPR-Cas9基因组编辑系统是如此的便宜、如此的易于使用、如此地可在不同的实验室重复使用、和得到了如此广泛的使用，它总是即将在某时某地被某些人使用来改变人类生殖细胞。2015年4月，来自中国中山大学的研究人员们的论文对此做出了最好的诠释。在《蛋白质与细胞》杂志（Protein & Cell）2015年4月18日号上，他们报告了使用CRISPR-Cas9来切割开人体三原核受精卵内的β球蛋白基因。这项工作现在将基因组编辑技术推向了人们关注的焦点，作为一种人类胚系修饰的首选工具。因为我们对于特定的变异本导入到特定的遗传学背景后是如何影响表型的尚知之甚少，它也意味着一场关于人类胚系修饰的风险和效益的彻底争论是不可避免的了，也可以说，从来没有今天这样重要。

自从重组DNA技术发明以来，人类制造可遗传的人类遗传学修饰的能力就一直是人们争议的来源。在40年前也就是1975年，在参加艾斯洛玛尔会议的科学家们中间，胚系修饰成为了主要的关注话题。到今天为止，因艾斯洛玛尔会议而建立的国立卫生研究院重组DNA咨询委员会（RAC）一直称它将“不接受胚系改变的申请”。3月，两组独立的研究小组对学术界呼吁，在对人类胚系进行基因组编辑研究做出任何进一步的接近之前就与公众取得交涉。

对人类生殖细胞的修饰引起了广泛的关注，关于其缺乏来自受到基因组改变的子代的同意，还有基因组改变对未来世代导致的非故意衍生化合物的伤害，以及对社会的巨大影响：在对其结果知之甚少的情况下改变人类群体的遗传学多样性。

大量对胚系基因治疗的争论已经集中于是否人类胚系的干涉应该得到完全的许可。已经引起广泛争论的是，应该在体细胞基因修饰和胚系改变之间、在疾病纠正和体格改善之间画出一条清楚的界线。其结果是，通过基因治疗来进行胚系修饰成为了科学家们避之唯恐不及的禁区，尤其是外源DNA的基因组整合后插入性突变的风险更是受到了人们的臧否；例如，在2001年，重组DNA咨询委员会叫停了一项血友病B基因治疗的I期临床试验，因为其AAV载体序列在一名试验参与者的精液中得到了测出。作为其一种结果是，胚系基因治疗研究已经成为了一种不值得考虑的事情和方案。相反，CRISPRs和其它工具如锌指核酸酶和TALENs（转录激活因子样效应物核酸酶）的效率、经济学和作为一种权宜之计，已经促成研究人员们再次评估在人类生殖性细胞内改变基因的可能性。

这并不是说，生殖细胞的基因组编辑就没有其自身的技术挑战了。例如，CRISPR-Cas9的修改效率不仅取决于想要修改的靶序列和细胞类型，还取决于是否改变是一种删除，完成途径是被切断双链的非同源性末端连接、或者使用一条寡核苷酸进行同源指导性修复（HDR）来达到的碱基修正。目前，前者比后者有效率得多，尽管可能还有路径来阻抑宿主连接酶活性以促进HDR。因此，一种显性突变的敲除在目前比一种功能丢失性突变本的修正容易得多。

另一个主要的问题是研究人员们正在减少基因组编辑期间形成的脱靶改变数目，它也是序列依赖性的。对于CRISPR-Cas9来说，使用一种DNA切口酶是改善特异性的一种方法。那也就说，任何在表观遗传学水平上诱导的脱靶改变也会需要仔细的监测，因为这种改变潜在地影响生命晚期的被修饰子代。即使是脱靶改变可以被阻抑到可以接受的水平，进行筛选来鉴定生殖细胞是否包含一种想要的等位基因仍然是进展中的一项工作。单细胞深度测序的进展将大有助益，尤其是如果修饰在精原体细胞或卵母细胞祖细胞中被实施，可以取代取自人体胚胎的单细胞活检。

最后，不论是Cas9核酸酶作用完成前的生殖细胞分裂，还是单细胞阶段之后残留的核酸内切酶活性，都会导致遗传学镶嵌体，对于想要的遗传学改变是否存在于正确的成年人组织或机体内有正确的水平来产生想要的表型，也会带来连累。为了帮助减少镶嵌体，人们已经提出了一种方法：用Cas9取代RNA作为一种可降解蛋白质来微注射。

这些技术上的挑战是有可能克服的，但是我们要知道那些核苷酸要改变，还需要很长的路要走。

事实是，我们已经鉴定了相对很少的自然发生等位基因，在人类群体中有足够的外显率，所以我们需要靶向它们，比如用于单基因性疾病如家族性腺癌状息肉或亨廷顿综合症。在大多数其它病例中，我们几乎没有证据来说明不同的遗传学背景是如何会影响到与一种变异本相关联的表型的。重要的是，要支持今天的胚系基因组编辑就要进行一系列的无知的人体实验。如果没有更好地认识变异本在特定的遗传学背景下的知识、在异位显性中的知识和在遗传学网络中的知识，要预测改变哪怕一个等位基因的表型结果，都将是困难的，更不要说要改变更多了。

这些并不意味着现在不是正确的时间来讨论胚系基因组编辑的应用。现在，只有25个国家禁止人体胚系修饰；世界上其它地方有非常多的许可性法规。鉴于目前很难管理那些意欲使用CRISPR-Cas9来修饰人类生殖细胞的人们，最好的方法是鼓励广泛的争论，与公众、与决策者和伦理学家们进行；只有这样，我们才能保证达到最大的一致性，关于最好地使用这种强有力的技术，造福于全人类的健康与福祉。

图片来源：好搜图片。

原文链接：

http://www.nature.com/nbt/journal/v33/n5/full/nbt.3234.html

Next-generation genome editing.

Nature Biotechnology  Published online 12 May 2015。