原标题:中国科学家再次领先一步!率先将新一代基因编辑技术应用于人类胚胎

要论在 CRISPR
基因编辑技术研发上的绝对功劳,美国科学家们当之无愧,但在该技术的临床试验及应用上,中国则功不可没,近年来,中国学者先后将
CRISPR 技术应用于人类胚胎编辑及人体临床试验,走在全球科研的前列。

而今随着新一代 CRISPR
技术的发展,中国科学家再一次率先将单碱基编辑技术应用于可发育的人类胚胎的遗传疾病修复中。近日,上海科技大学与广州医科大学共同合作,以体外受精的遗传缺陷胚胎作为研究对象,使用
CRISPR 单碱基编辑技术,成功的对突变的 FBN1
基因进行修正,验证了单碱基基因编辑技术的安全性与高效性
,研究的相关内容发表在
Molecular Therapy 杂志上。

此次研究不仅是较先前人类胚胎基因编辑工作的一次显著进步,也为未来对体外受精胚胎进行有效的遗传信息编辑提供了希望

值得注意的是,此次接受 CRISPR
治疗的胚胎所患上的疾病——马凡氏综合征——正是一种罕见病。

论文的通讯作者、上海科技大学黄行许教授则对 DT 君表示,“罕见遗传病的特点之一是多器官损伤,而且是器质性病变。现有的技术,包括在体的基因治疗,都不能治愈,而且治疗费用超过了绝大部分家庭的负担。我们可以想象,罕见病对全社会也许影响不大,但对患者家庭,是巨大的负担和压力;对患者本人,则是全部的痛苦。开发罕见遗传病的胚胎基因治疗将一次性治愈病患,并阻断遗传病的传播。从治疗和经济的角度,都是最好的选择。”

不过,他也提到,胚胎的基因编辑影响深远,因此科学家必须要严格遵循伦理和按照国际规则开展好研究工作。“我们的合作伙伴申请获批了医院伦理委员会的许可,开展了本研究。研究的初步结果是成功的。尽管如此,把胚胎基因治疗应用到临床,需要大量的实验验证可靠性。需要逐步的临床前实验和临床实验验证,仍然有很长的路要走”,黄行许教授表示。

新一代CRISPR 技术治疗**并不值得羡慕的“天才病”**

具体而言,本次研究由来自上海科技大学黄行许教授与广州医科大学附属第三医院的刘见桥教授共同领导。

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图丨上海科技大学黄行许教授(来源:上海科技大学官网)

黄行许教授可谓是我国在基因编辑领域的领军人物,近年来,其团队先后以大鼠、猴子、人类胚胎等为研究对象,使用
CRISPR/Cas9
系统对基因组进行编辑,构建各种基因工程细胞和动物疾病模型,获得了令人瞩目的研究成果,相关成果分别发表在著名学术期刊
Cell、Nature、Nature Methods 等上。

而刘见桥教授则曾成功将 CRISPR/Cas9
系统成功的应用于人类胚胎编辑。 2017
年,由刘见桥教授带领团队再一次完成了中国造的“世界首次”——将 CRISPR
初次应用于人类二倍体胚胎,在胚胎层面对携带遗传突变基因的胚胎进行修复。

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图丨刘见桥教授(来源:广州医科大学附属第三医院)

在此次的研究成果中,研究者们通过体外受精技术,使用来自健康捐献者的卵细胞与来自马凡氏综合征患者的精子,获得了可发育的人类胚胎,并向其中注射新一代
CRISPR 基因编辑系统
即单碱基编辑系统使其可以将 FBN1
基因中突变的碱基替换为正确碱基

具体而言,研究者使用 CRISPR/Cas9 系统在 HEK293T
细胞中构建了 FBN1 基因突变体
T7498C,进行了模拟实验。根据已有的患者信息,T7498C
突变患者表现为漏斗胸、平足,这是典型的马凡氏综合征症状。

成功获得马凡氏综合征细胞模型后,研究者们使用适合的单碱基编辑系统
BE3 对其进行突变碱基修正,并使用 PCR
及测序技术验证实验结果,结果显示,20 个单克隆细胞系中,有 10
个被成功编辑,效率为 50%。

预实验的成功证明了 BE3
单碱基编辑系统在人类细胞中具有一定的可行性,但编辑人类胚胎才是他们的最终目的。

基于这一想法,研究者们通过体外受精技术,使用来自健康捐献者的卵细胞与来自马凡氏综合征患者(T7498C)的精子,获得了可发育的人类胚胎,并向其中注射新一代
CRISPR 基因编辑系统,即单碱基编辑系统 BE3,使其可以将 FBN1
基因中突变的碱基 G 替换为正确碱基 A
。随后,研究者将进行过基因编辑的人类胚胎继续培养两天,以观察检测编辑效率。

高通量深度测序结果显示,经历过“升级版”CRISPR
单碱基基因编辑后,18 个胚胎中有 16 个只携带有正常的 FBN1
基因(修正率约为 89%)
,而另 2
个胚胎发生了预料之外的基因编辑。而相较去年使用“基础款”CRISPR 的表现(58
个胚胎中有 42 个得到了修正,修正率约为
72%),如今的“升级版”表现的更胜一筹

在此次研究中,就技术改进方面,研究团队更多是“做了简单的密码子优化以适于哺乳动物,并利用
mRNA 而不是 DNA
的方式以减少毒性。效果好主要是认真选择适合的靶点,并利用体外的细胞实验进行了仔细的上靶和脱靶等的全面评估。”黄行许教授说。

此次用新一代 CRISPR 技术治疗的马凡氏综合征(Marfan
syndrome,MFS),就是一种由基因单碱基突变引起的疾病,一旦患上,人生就是个大麻烦

马凡氏综合征又称蜘蛛指(趾)症、肢体细长症,是常染色体
FBN1(Fibrillin-1)基因单碱基突变引起的显性遗传疾病,患者全身结缔组织异常,表现为四肢、手指、脚趾细长不均匀,身高明显高于常人,看似“天赋秉异、骨骼清奇”,患者却无比痛苦。

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图 |
马凡氏综合征患者的手指通常比普通人长,且关节处表现异常
(来源:mayoclinic)

天赋是一场与上帝的交换游戏,而交换的往往是寿命及健康,对于马凡氏综合征的患者来说,**30 岁就意味着死亡的来临。该疾病可同时影响骨骼、关节、眼、肺等多个器官,最大的生命威胁来自于血管病变**,而每 5000
个人中,就有一名马凡氏综合征患者。

随着近年来身高成为各种运动项目选拔衡量的重要标准,越来越多的马凡氏综合征患者由于突出的先天条件被选中,而也由于他们最终发病、早早地陨落使得该疾病得到越来越多的关注

在新生儿中,如果有父母一方患病胎儿患病的概率就高达 50%,如果能在胚胎阶段就修正这种致病错误,就可以让许多家庭体验平凡的幸福。

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(来源:labiotech)

天才和疯子只有一线之间,有些疾病也这般残酷。幸运的是,人类治疗这些疾病的手段也愈发先进,那么,如今的“升级版”与“基础版”有什么异同呢?

从基因“魔剪”到“橡皮擦”

编辑基因、改写生命是人类一直以来的梦想,经过无数代研究者的努力,科学家们发现了包括锌指核酸内切酶(ZFN)、类转录激活因子效应物核酸酶(TALEN)、CRISPR/Cas
系统这三种基因编辑手段
,而由于 CRISPR/Cas
系统操作简便,成本低廉,高效稳定,近年来在植物、动物实验中被广泛使用。

CRISPR/Cas
系统是一种存在于大多数细菌或古细菌中的一类后天获得性免疫,当外源遗传物质入侵时,CRISPR/Cas
系统首先会将入侵的噬菌体或外源质粒 DNA 信息整合到自身 CRISPR
序列中
,当病毒再次入侵时,CRISPR/Cas 系统可对其进行识别并摧毁。

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图 |CRISPR 正在成为最热门的基因编辑工具
(来源:Verdict)

利用这一原理,研究者们构建了由 Cas9
核酸内切酶和向导 RNA(sgRNA)两个主要元件组成的“基础款”CRISPR/Cas9
基因编辑系统。sgRNA,能够识别靶 DNA
序列中保守的前间区序列邻近基序(Protospacer Adjacent
Motifs,PAM),通过与 Cas9 蛋白结合引导 Cas9
核酸内切酶定点切割靶向 DNA

但“基础款”的缺点是一旦进行工作,就会彻底的“门户大开”——DNA
双链同时切断
这就意味着额外插入和缺失基因的风险将大大增加尤其是对于由单碱基突变导致的疾病基因“魔剪”似乎太大材小用了

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图 |新一代 CRISPR
只需修改单个碱基就能治疗疾病 (来源:The Scientist)

为弥补这一缺点,来自哈佛大学的 David Liu
(刘如谦)对 CRISPR
系统进行了“升级”,带来了基因“橡皮擦”:在编辑过程中,新工具并非对序列进行剪切,而只针对单一碱基,重构单碱基原子结构,进而触发细胞对其他
DNA 链进行修复,而不会造成 DNA 断裂。

关于碱基编辑器技术,黄行许教授对 DT
君说,“碱基编辑器技术在第三代的基因编辑技术 CRISPR/Cas9
基础上开发,相关论文于 2016
年发表。由于准确和高效实现单碱基编辑,具备不造成 DNA
双螺旋断裂,脱靶可能性极低等优势,碱基编辑器技术被业界称为第四代基因编辑技术。2017
年被
Nature评为了年度突破性进展之一。”

“人造人”的未来

发展的技术为医学的实践提供了机会,但背后更多的动力,是来自人们观念的松动,理念的认同。对人类胚胎的编辑一直是个敏感的社会话题,“人造人”带来红利的同时,背后更也有说不清的伦理、道德、社会问题,但是否应该因此将其束之高阁

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(来源:Kurzgesagt)

探索是中国的选择。自 2015
年来,中国的科学家们先后多次参与人类胚胎编辑项目,并取得领先的成果,但却引发了一场全球性的激烈争论。就在我国科学家发布全球首例胚胎编辑研究成果不久,由美国国家科学院召开的国际峰会上得出了通过基因编辑工具获得遗传信息编辑后代的行为是“不负责任的”、是缺乏社会共识的结论

但仅仅两年后的 2017
年,态度就开始缓和。一份来自美国国家科学院和国家医学研究所的公告指出,未来基因编辑工具可被用于严重遗传性疾病的临床试验中,但必须处于严格的监管下

上个月,英国纳菲尔德生物伦理学委员会(Nuffield
Council on
Bioethics)的专家表示,尽管目前不应修改法律允许编辑人类基因组,用以纠正后代的遗传缺陷,但在未来的立法中不应排除这种可能性。一项美国皮尤研究中心(Pew Research
Center)的调查显示,72%
的美国人认为,将基因编辑技术用于未出生的婴儿的遗传信息编辑,从而使其避免严重的遗传疾病可谓是物尽其用,恰到好处

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(来源:Marina Muun)

但似乎科学家们的眼光总能超出常人一步:
在普通人狐疑惊恐时,他们激进而充满希望,在普通人兴奋欢呼时,他们又顾虑重重。

“尽管目前关于碱基编辑的相关研究论文已经有
50 余篇,但这个领域还很新,只有两年,”刘如谦评价道,“我们仍旧需要更多的研究,来验证由碱基编辑带来的可能后果。”

同样持谨慎态度的还有本项研究的参与者黄行许教授。黄行许教授认为,胚胎基因编辑虽然值得期待,但仍需大量实验验证可靠性

他对 DT 君说,“我们知道,目前已经鉴定出来的罕见遗传病有10000多种,已经确定致病基因的7000多种,超过了人类疾病的10%。其中具备有效治疗措施的只占6%不到,是世界医药研究的最大难题之一。随着测序技术和分子诊断技术的发展,越来越多的遗传病会被鉴定出来。”

而对团队下一步的研究计划,黄行许教授对 DT 君说,“我们正在继续完善马凡氏综合征的胚胎基因治疗实验研究。下一步挑战的疾病也有些不成熟的想法,但还需要深入调研,谨慎选择适应症和靶点。我们将继续保持基因编辑和基因治疗的兴趣和技术优势,深入罕见遗传病的胚胎基因治疗研究。”

-End-

参考:

https://www.cell.com/molecular-therapy-family/molecular-therapy/fulltext/S1525-0016(18)30378-2

https://www.wired.com/story/crispr-base-editing-first-china/

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