連發兩篇Science，中國科學家「測評」CRISPR工具脫靶率

中國科學家發表兩篇Science論文，對多種基因編輯工具進行「測評」。兩項研究都指出，被學界看好的單鹼基編輯工具有著極高的脫靶風險，其中一項還提出了全新的脫靶率檢測技術「GOTI」。

圖片來源：Pinterest

撰文 戚譯引

CRISPR 基因編輯技術已經發展出多種形式，然而它們都隱含著同樣的風險，那就是脫靶（off-target）——意外編輯了基因組中其他的基因，造成不可預測的後果。在去年底引發巨大爭議的賀建奎事件中，許多科學家就表達了同樣的擔憂：這次編輯究竟有沒有發生脫靶？你怎麼證明沒有脫靶？

學術界早就意識到脫靶問題的存在，但量化評估十分困難。3 月 1 日，中國科學家為主的兩個團隊在Science發表論文，每篇論文只有兩頁，卻揭示了同一個重要的信息：基因編輯有風險，其中單鹼基編輯系統（base editor）脫靶尤其嚴重。

什麼是單鹼基編輯？

單鹼基編輯技術由 CRISPR-Cas9 改進而來。CRISPR 技術的基本原理，就是用 RNA 引導 Cas9 等核酸內切酶對 DNA 上的目標區域進行編輯，可以刪除或激活目標基因。核酸內切酶有許多種，Cas9 是其中最早被發現、應用最廣泛的，此後被發現的酶還有 Cpf1、Cas12b、Cas13 等。

Cas9 同時對 DNA 的雙鏈進行剪切，形成雙鏈斷裂（double strand breaks，DSBs），修復的過程中容易產生新的突變。而單鹼基編輯器對 Cas9 進行了改進，並添加了脫氨酶（deaminase），只對 DNA 的一條鏈進行切割，然後精確地對一個鹼基進行修改。

根據目標鹼基的不同，單鹼基編輯工具可分成兩類，一類是胞嘧啶單鹼基編輯器（cytidine base editor，CBE），將胞嘧啶（C）轉換成胸腺嘧啶（T）；另一類是腺嘌呤鹼基編輯器（adenine baseeditor，ABE），將腺嘌呤（A）轉換成鳥嘌呤（G）。

單鹼基編輯看起來操作更精確，因而被寄予厚望。但這次的兩篇Science論文對不同編輯技術的脫靶率進行了評估，發現胞嘧啶單鹼基編輯器具有極高的風險。

全基因組範圍的脫靶效應

中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞團隊用水稻進行實驗，發現 CBE 會引發全基因組範圍的脫靶效應，其引發的突變數量大約是自然環境下發生突變的兩倍（DOI: 10.1126/science.aaw7166）。

高彩霞團隊論文。

高彩霞團隊藉助全基因組測序技術，對三種應用廣泛的單鹼基編輯工具BE3、高保真 BE1（HF1-BE3）和ABE進行了檢驗，前兩者為。與野生型對照組和 ABE 相比，BE3 和 HF1-BE3（均屬於 CBE）引發了數量顯著更多的單核苷酸變異（single nucleotide variant，SNV），主要是將基因組中其他部位的胞嘧啶也變成了胸腺嘧啶。

研究還發現，脫靶預測演算法Cas-OFFinder預測並不準確。在接受 BE3 編輯的植株中，只有 6 處突變發生在預測的 3 個突變部位中；而在接受 HF1-BE3 和 ABE 編輯的植株中，沒有一處突變發生在預測的部位中。

GOTI：評估脫靶的新方法

中國科學院神經科學研究所楊輝團隊和斯坦福大學 Lars M. Steinmetz 團隊合作的研究也得出了相似的結論：Cas9 和 ABE 引發的單核苷酸變異較少，而CBE 讓突變的數量翻了 20 倍（DOI: 10.1126/science.aav9973）。

楊輝團隊論文。

該研究的另一亮點在於提出了全新的脫靶評估技術 GOTI（Genome-wide Off-target analysis byTwo-cell embryo Injection）：在小鼠胚胎卵裂球的二細胞期，對其中一個細胞進行基因編輯，並進行熒光蛋白 tdTomato 標記；隨後，在胚胎髮育的第 14.5 天用流式細胞儀（FACS）將兩個細胞的子代進行分離，分別進行測序。

藉助 GOTI 技術，科學家第一次能夠對脫靶進行全面的量化評估。楊輝團隊對 CRISPR-Cas9、BE3 和 ABE7.10 進行了檢驗，全部 12 組中發生的插入/缺失（indel）數量在 0 到 4 之間，並且沒有一個發生在預測的脫靶部位。

實驗發現，在經過 BE3 編輯的胚胎中平均發生 283 個 SNV；相比之下，經過 ABE7.0 編輯的胚胎平均發生 10 個 SNV，與自然突變的數量無顯著差異。而且，BE3 編輯引發的一些突變發生在原癌基因或抑癌基因上，這進一步提示了可能的致癌風險。

臨床應用要謹慎

Science採訪了業內人士對此的看法。哈佛大學化學家、第一代鹼基編輯器的發明者劉如謙（David Liu）認為，基因編輯的錯誤整體上仍屬罕見，不太可能對實驗室應用造成影響，但足以為那些想要在病人身上進行試驗的人敲響警鐘。

Cas-OFFinder 的發明者、來自韓國國立首爾大學（Seoul National University）的 Jin-Soo Kim 說：「這兩篇論文很有趣，也很重要。現在重要的是找出是哪一種成分引發了其他突變，以及如何減少或消除它。」而麻省總醫院（Massachusetts General Hospital）病理學家、劉如謙的合作夥伴 J. Keith Joung 認為，對編輯器中的脫氨酶或其他成分進行改進或許能夠減少脫靶效應。

基因編輯療法被寄予厚望。在治療鐮刀形紅細胞貧血症、萊伯先天性黑蒙症方面，相關治療手段已進入臨床試驗階段。而這兩項研究進一步提示了基因編輯技術可能存在的風險，再次說明了在投入臨床應用前進行充分安全性評估的必要性。

論文信息

【標題】Cytosine, but not adenine, base editors induce genome-wide off-target mutations in rice

【作者】Shuai Jin, Yuan Zong, Qiang Gao, Zixu Zhu, Yanpeng Wang, Peng Qin, Chengzhi Liang, Daowen Wang, Jin-Long Qiu, Feng Zhang, Caixia Gao

【期刊】Science

【時間】28 Feb 2019

【DOI】10.1126/science.aaw7166

【摘要】Cytosine and adenine base editors (CBEs and ABEs) are promising new tools for achieving the precise genetic changes required for disease treatment and trait improvement. However, genome-wide and unbiased analyses of their off-target effects in vivo are still lacking. Our whole genome sequencing (WGS) analysis of rice plants treated with BE3, high-fidelity BE3 (HF1-BE3), or ABE revealed that BE3 and HF1-BE3, but not ABE, induce substantial genome-wide off-target mutations, which are mostly the CT type of single nucleotide variants (SNVs) and appear to be enriched in genic regions. Notably, treatment of rice with BE3 or HF1-BE3 in the absence of single-guide RNA also results in the rise of genome-wide SNVs. Thus, the base editing unit of BE3 or HF1-BE3 needs to be optimized in order to attain high fidelity.

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

論文信息

【標題】Cytosine base editor generates substantial off-target single-nucleotide variants in mouse embryos

【作者】Erwei Zuo, Yidi Sun, Wu Wei, Tanglong Yuan, Wenqin Ying, Hao Sun, Liyun Yuan, Lars M. Steinmetz, Yixue Li, Hui Yang

【期刊】Science

【時間】28 Feb 2019

【DOI】10.1126/science.aav9973

【摘要】Genome editing holds promise for correcting pathogenic mutations. However, it is difficult to determine off-target effects of editing due to single nucleotide polymorphism in individuals. Here, we developed a method named GOTI (Genome-wide Off-target analysis by Two-cell embryo Injection) to detect off-target mutations by editing one blastomere of two-cell mouse embryos using either CRISPR-Cas9 or base editors. Comparison of the whole genome sequences of progeny cells of edited vs. non-edited blastomeres at E14.5 showed that off-target single nucleotide variants (SNVs) were rare in embryos edited by CRISPR-Cas9 or adenine base editor, with a frequency close to the spontaneous mutation rate. In contrast, cytosine base editing induced SNVs with over 20-fold higher frequencies, requiring a solution to address its fidelity.

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

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