意料之外：中国团队证实CRISPR单碱基编辑存在严重脱靶效应，医疗应用前景堪忧

CRISPR单基因编辑器在过去几年中已经让世界各地的生物实验室惊叹不已，因为它们可以精确地改变单个DNA碱基，从而对遗传疾病进行灵巧修复、改善农作物和家畜基因组。

这项由华人科学家David Liu等人开发的单碱基编辑器，不依赖DNA双链断裂，因此被认为比传统的CRISPR/Cas9基因编辑更安全，在治疗单基因遗传病（尤其是单碱基突变遗传病）中被寄予厚望。

但是这个“单碱基编辑器”被发现可能存在严重的弱点。

2019年3月1日，顶尖学术期刊 Science 杂志同期发表的两项来自中国科研团队的最新研究表明，CRISPR单碱基编辑器会导致许多不必要的和潜在危险的“脱靶”遗传变化。

1、Cytosine base editor generates substantial off-target single nucleotide variants in mouse embryos。胞嘧啶碱基编辑器在小鼠胚胎中产生大量脱靶单核苷酸突变。

通讯作者：杨辉（中科院神经科学研究所）、李亦学（中科院计算生物学研究所）、Lars M. Steinmetz（斯坦福大学）。

2、Cytosine, but not adenine, base editors induce genome-wide off-target mutations in rice。胞嘧啶碱基编辑器，而不是腺嘌呤碱基编辑器，会诱导水稻的全基因组脱靶突变。

通讯作者：高彩霞（中科院遗传与发育研究所）。

David Liu等人怎么看？

David Liu，哈佛大学教授，CRISPR单碱基编辑器的开创者，与张锋等共同创立了基因编辑公司Editas Medicine。

David Liu认为：这个错误总体上是罕见的，不太可能影响到该技术的实验室用途。但任何想要在患者身上使用这项技术的人都要关注这两项研究。

韩国首尔大学的CRISPR专家Jin-Soo Kim认为，这两项研究很有趣也很重要，现在的当务之急是确定编辑器的哪部分组件引起了突变，以及如何减少和避免这些问题。Jin-Soo Kim的看法很乐观，他认为该领域将迅速找出解决方案。出现新的难题意味着出现新的机会。

麻省总医院病理学专家，同时也是Editas Medicine联合创始人的J. Keith Joung认为，调整单碱基编辑器的脱氨酶或者其他组分，可能会降低脱靶效应。

斯坦福大学CRISPR专家Stanley Qi认为，新的生物技术存在不完善之处并不奇怪。这些研究并不会削弱我对单碱基编辑器和基因编辑的热情。

CRISPR基因编辑，最开始的形式是，使用sgRNA将Cas9酶引导至基因组中的特定位置。Cas9充当DNA的分子剪刀，切断DNA两条链，然后细胞试图修复双链断裂的DNA而使基因失效，或者在切口处插入新的DNA序列。 

CRISPR单碱基编辑器，将Cas9酶复合上脱氨酶，将一个碱基通过化学催化改变为另一个碱基，这种改变无需DNA的双链断裂，因此研究人员认为这种方式比CRISPR/Cas9更可控，并不认为它们会导致脱靶错误。

现在，这两项中国研究人员在水稻和小鼠胚胎上进行的独立研究，发现单碱基编辑器带来了大量的脱靶突变，这些实验使用了将DNA碱基胞嘧啶改为胸腺嘧啶的编辑器。 另一位来自刘氏团队的基础编辑将腺嘌呤转化为鸟嘌呤，没有引入这样的错误。

高彩霞团队的研究

由中国科学院的植物生物学家高彩霞领导的研究团队，使用BE3、HF1-BE3、ABE这三种单碱基编辑器，在77株水稻植株（56株实验组，21株对照组）中进行了对比研究，

该研究发现，使用BE3和HF1-BE3编辑器，会诱导水稻的全基因组突变。这些脱靶突变主要是C> T类型的SNV突变，并且在转录的基因区域中富集。同时这些突变又不能通过当前计算机方法预测到。值得注意的是，在没有sgRNA的情况下用BE3或HF1-BE3处理水稻也导致全基因组SNV的增加。而ABE碱基编辑器则没有引起明显的脱靶效应。

高彩霞研究员说：对于这一实验结果，我们非常惊讶，也非常担心，我们必须非常非常小心的结果，因为整个世界都将密切关注。幸运的是，杨辉团队在小鼠上的研究做出了非常相似的结果，而且他们的系统甚至比我们的系统更好。

高彩霞研究员

杨辉团队的研究

中科院上海生科院杨辉、李亦学和斯坦福大学Lars M. Steinmetz合作开发了一种名为GOTI的新型脱靶检测技术，通过在新形成的仅两个细胞的小鼠胚胎中，将单碱基编辑器系统注入两个细胞中的一个。比较这两种细胞的后代，发现BE3编辑器存在非常严重的脱靶效应，是对照组的20倍以上，而且这些脱靶大多出现在传统脱靶预测认为不太可能出现脱靶的位点，因此之前方法一直没有发现其脱靶问题。而ABE编辑器没有明显的脱靶效应。

进一步分析后发现，这些脱靶位点有部分出现在原癌基因和抑癌基因上，因此经典版本的BE3有着很大的隐患，目前不适合作为临床技术。

杨辉研究员

参考内容：

http://science.sciencemag.org/content/early/2019/02/27/science.aav9973

http://science.sciencemag.org/content/early/2019/02/27/science.aaw7166

https://www.sciencemag.org/news/2019/02/crispr-offshoot-still-makes-mistakes-editing-dna-raising-concerns-about-its-medical-use