基因编辑会不会脱靶？中国科学家用最新研究给出解答

iamkfeng

　自从以CRISPR/Cas9为代表的基因编辑技术被发明以来，有一个词就像幽灵般盘旋在这个领域中，那就是“脱靶”。人人都讨论它，人人都害怕它，但却没人看得到它。

图片来源：Pixabay

　　然而在昨天，这个幽灵终于被人抓住了，中科院神经所杨辉实验室团队与合作者开发了一套名为GOTI的新技术，让基因编辑的脱靶从此无所遁形，相关论文发表在3月1日的《科学》（Science）上[1]。

GOTI新技术让基因编辑的脱靶从此无所遁形。

　　一枪打在了别人的靶子上

　　在2004年雅典奥运会男子50米步枪三姿决赛中，美国选手埃蒙斯遥遥领先，到了要打最后一枪的时候，他已然遥遥领先第二名整整三环。胜卷在握的他屏息凝神开了这一枪，又一次把子弹准确送到了差不多是靶心的位置，然而他的记分牌上却显示出一个匪夷所思的成绩：

　　脱靶。

　　原来埃蒙斯犯了一个莫名其妙的错误——他最后一枪打在了别人的靶子上。

埃蒙斯：我怎么会……图片来源：GETTY IMAGES

　　奥运会的顶尖选手如此，生命科学的顶尖技术亦是如此。

　　近年来很火的技术“基因编辑”，就有这个问题。尽管以CRISPR/Cas9等为代表的新一代基因编辑以精确著称，但它们时不时就是会犯这种“打到别人靶子上”的毛病——我们本来要让它去编辑A基因，但它却意外搞坏了B基因。

　　基因编辑的脱靶和奥运选手的脱靶一样都是极小概率的事件，但常在河边走哪能不见鬼，每一次基因编辑操作，本质上都是成千上万的基因编辑工具对着成千上万的细胞做了成千上万次编辑，焉能保证次次不失手呢？

图片来源：图虫创意

　　奥运选手脱靶最多丢块金牌，基因编辑脱靶了，丢的没准就是性命了。然而基因编辑技术宛如一辆势不可挡的战车，正以雷霆万钧之势向着临床领域疾驰而来。

　　然而这历史的车轮真的不能挡吗？又该不该挡一下呢？

　　查明脱靶率可没那么容易

　　还是拿奥运会打个比方吧，虽然奥运选手脱靶是个小概率事件，但是只要观察的次数足够多，就能够统计出他平均中靶多少次会出现一次脱靶，这个就是就叫做“脱靶率”。

　　知道了脱靶率，我们才能制定一个标准。比如说规定平均一万枪内不能出现超过一次脱靶，张三脱靶率是千分之一，那他就不合格；李四脱靶率千万分之一，那他就值得信赖。

　　然而颇显尴尬的是，这么多年来，无论是支持基因编辑脱靶还是反对基因编辑脱靶，大家很大程度都只凭着一种“信仰”，却从来没有人真正弄清过基因编辑的脱靶率到底是多少。

　　这是因为，基因编辑的脱靶率真的太难检测了。

　　射击运动员的脱靶率可以直接“数”出来，基因编辑的脱靶率该怎样计算呢？也许有人会说，这很简单呀，把一批样本分成两组，一组做基因编辑，一组不做，然后比对一下两组的基因差异不就成了么？

　　2017年， Bassuk等几位科学家还真就这么干了[2]，他们用CRISPR/Cas9技术编辑了几枚小鼠的受精卵，等这些受精卵发育成小鼠出生后检测了它们的基因，并将其与同一品系的其它小鼠作对比，结果居然发现了“一千多处难以预料的基因突变”。

　　尽管这个结果立马成了各大媒体的头条，但它却受到了学术圈内一致的口诛笔伐，因为这个检测犯了一个很低级的错误：世界上没有两只基因完全一样的小鼠。Bassuk的实验无法区分比对出来的基因差异究竟来自于基因编辑，还是小鼠之间本来就有的个体差异。

　　在一片指责声中，来自中科院神经科学研究所杨辉实验室的博士后左二伟（还记得吗？就是那个敲染色体的 CRISPR又有新用场了！这或许是唐氏综合征患者的福音 ）却萌生了一个清奇的想法，当时他一拍大腿说，艾玛好机会啊，只要立刻用非常严谨的科学方法重做一下论文的工作，然后得出否定的结论反驳它，不就白捡一篇Nature methods嘛。

　　做着做着，他就发现，这个“非常严谨的科学方法”其实并不简单（不然早几年全世界的科学家不就早该做了么）。更惨的是，他的工作铺开没过多久，Bassuk的论文就被撤稿了（详情请见：震惊！国际顶尖期刊宣布CRISPR有毒！震惊again！它又撤稿了！）。

　　不过，左二伟博士还是决定研究下这个问题，世界上不是有一句魔咒叫做“来都来了”嘛，顺便做做看吧……

一念之间的历史的走向

　　经过与导师的讨论，一个可以精准检测脱靶的方案还真的慢慢成型了。然而正是在左二伟博士“顺便”研究脱靶问题的这段时间里，基因编辑临床化的脚步却在日益加快。

　　2018年1月，美国批准了宾州大学一项利用CRISPR/Cas9修复免疫缺陷的临床试验。

　　2018年8月，欧洲多个国家批准了张锋的CRISPR Therapeutics公司的用CRISPR/Cas9治疗β地中海贫血症的临床试验。

　　2018年11月，解放军总医院的基于基因编辑T细胞治疗癌症的临床试验申请也被通过。

　　更遑论2018年11月份，原南方科技大学副教授贺建奎公然宣布自己做出了人类首例基因编辑婴儿。细思极恐的是，贺建奎之后，居然还有不少力挺他的声音，其中不乏国际最顶尖的科学家。

　　张锋和David Liu等等也是极大地加快了基因编辑临床化的速度。

张锋在他的实验室中。 图片来源：sciencenews.org

　　毕竟，谁第一个取得了临床化基因编辑的突破，谁就率先霸占了一块医疗的制高点，这其中的利益真的太诱人了。乃至一时之间万马奔腾，有些人似乎已经不在乎这其实还是一项风险未知的技术了。

　　突然之间，左二伟博士乃至整个杨辉实验室都好像无意中站在了历史的节点上，这个随手做做的课题突然将会变得足以决定这个领域的历史走向——

　　检测出来如果证明基因编辑不易脱靶当然皆大欢喜，但如果证明它容易脱靶呢？且不说杨辉自己实验室里那些涉及基因编辑向临床转化的课题将面临考验，还可能由此在行业内掀起一场地震。

　　最终，左二伟博士在与导师杨辉研究员以及所长蒲慕明等人商议后，大家还是决定继续做下去，毕竟……

　　得有人站出来承担这个责任呀。

　　检测脱靶，阻碍重重

　　阻碍检测脱靶率的，除了“个体差异”外，还有另一个障碍。

　　什么障碍呢？我们继续用射击做比方：能得分的目标靶子通常是唯一的，而目标外的“别人家的靶子”可就是千千万万各有不同了。想象一下，如果随便撒一把CRISPR/Cas9去编辑十万个细胞的基因，假设每个都脱靶，且这些脱靶都是随机产生的，那么这十万个细胞最多就会有十万种脱靶，每一种脱靶形式只占了所有样本的十万分之一，这种微乎其微的异常几乎不可能被检测出来。

　　因此，脱靶检测需要依赖所谓的“单细胞测序”，通俗来说，就是实验组和对照组都只有一个细胞。这样的对比当然就能很容易发现差别，但是很显然，一个细胞那一丁点DNA是根本不够拿来检测的。为了解决这个矛盾，就要用到“体外扩增”技术，把那一丁点DNA样本复制成千上万份，直到数量满足检测所需为止。

　　但是，人类发明的任何体外扩增体系都是不完美的，无法做到100%精确拷贝最初的DNA样本，每一次复制都会带入一丁点错误。就像复印文稿总比原稿品质差一些一样，经过千万次复制再复制，就足以让这份DNA样本变得面目全非，干扰检测结果。