研究人員在觀察胚胎培養情況。 中科院神經科學研究所供圖
“漸凍人”（運動神經元癥）、“玻璃娃娃”（成骨不全癥 ）、“月亮孩子”（白化病）、地中海貧血……各種各樣的罕見病一直因發病率低而缺乏有效的治療方案，給患者和家庭帶來無限的痛苦。
據統計，全球有7000多種罕見病，其中80%的罕見病是單基因遺傳病。近年來，隨著基因編輯技術的逐漸成熟，基因治療被人們寄予厚望。
然而，基因治療的風險不可低估，其中“脫靶效應”是基因編輯技術最大的風險來源。
近日，中科院神經科學研究所、腦科學與智能技術卓越創新中心楊輝研究組與中科院馬普計算生物學研究所、中國農科院深圳農業基因組研究所及美國斯坦福大學團隊合作，開發出一種名為GOTI的全新的檢測基因編輯工具脫靶技術。該技術可精準客觀地評估基因編輯工具的脫靶率。該研究于3月1日在線發表于《科學》。
難題：
如何有效檢測基因編輯工具的安全性
CRISPR/Cas9是廣受關注的新一代基因編輯工具。學術界普遍認為，基于CRISPR/Cas9及其衍生工具的臨床技術將為人類的健康作出巨大貢獻。然而，基因編輯工具“脫靶”風險也一直備受關注。若將其應用于臨床，“脫靶效應”可能會引起包括癌癥在內的很多種副作用。
中科院神經科學研究所研究員楊輝在接受《中國科學報》采訪時表示，臨床技術對于潛在風險和副作用的容忍度極低，因此一種能突破之前限制的脫靶檢測技術，將成為CRISPR/Cas9及其衍生工具能否最終走上臨床的關鍵。
“其實，過去人們推出過多種檢測脫靶的方案，但這些方法都存在局限性。傳統上，對脫靶的檢測依賴于算法預測，靠不靠譜無人得知；或依賴于體外擴增，但這個會引入大量的噪音，會導致檢測的精確度大打折扣。”楊輝說。
由于不能高靈敏度地檢測到脫靶突變，尤其是單核苷酸突變，因此關于CRISPR/Cas9及其衍生工具的真實脫靶率一直存在爭議。
然而，任何科學技術歸根結底都需要服務于全人類，尤其像基因編輯這樣的神奇技術。想要有效地操縱這把“上帝的手術刀”，還得給它做個全方面的體檢。
突破：
GOTI技術精準捕捉“脫靶”逃兵
要提升檢測脫靶效應的精度，就必須徹底顛覆原有的脫靶檢測手段。
為實現這一目標，實驗人員建立了一種名叫GOTI的脫靶檢測技術。“我們在小鼠受精卵分裂到二細胞期時，編輯一個卵裂球，并使用紅色熒光蛋白標記。小鼠胚胎發育到14.5天時，將整個小鼠胚胎消化成為單細胞，利用流式細胞分選技術并基于紅色熒光蛋白，分選出基因編輯細胞和沒有基因編輯的細胞，然后通過全基因組測序比較兩組差異。這樣就避免了單細胞體外擴增帶來的噪音問題。”中國農科院深圳農業基因組研究所研究員左二偉告訴《中國科學報》。
同時，由于實驗組和對照組來自同一枚受精卵，理論上基因背景完全一致，因此直接比對兩組細胞的基因組，其中的差異基本就可以認為是基因編輯工具造成的。這樣便能發現此前脫靶檢測手段無法發現的完全隨機的脫靶位點。
隨后，該團隊將成功建立的GOTI投入基因編輯技術脫靶檢測。
實驗人員先是檢測了最經典的CRISPR/Cas9系統。結果發現，設計良好的CRISPR/Cas9并沒有明顯的脫靶效應。但是，同樣被寄予厚望的CRISPR/Cas9衍生技術BE3則存在非常嚴重的脫靶，而且這些脫靶大多出現在傳統脫靶預測認為不太可能出現脫靶的位點。
楊輝建議，人們應冷靜地分析一些新興技術的安全性。這些脫靶位點有部分出現在抑癌基因上，因此經典版本的BE3有著很大的隱患，目前不適合作為臨床技術。
未來：
完善基因編輯治療手段、建立行業標準
楊輝告訴記者，團隊接下來將進一步檢測BE3除導致異常基因突變外還可能存在的其他問題，并在此基礎上，設法改進這個系統，從而建立一種不會脫靶，也沒有其他風險的單堿基突變技術。
中科院馬普計算生物學研究所研究員李亦學表示，最新工作建立了一種在精度、廣度和準確性上遠超之前的基因編輯脫靶檢測技術，顯著提高了基因編輯技術的脫靶檢測敏感性，有望借此開發出精度更高、安全性更好的新一代基因編輯工具。
“我們希望未來可基于這項新技術，制定一些行業標準。凡是進入臨床的基因編輯技術，必須經過這套系統的檢驗才能證明其安全性，以便讓這個領域有序、健康地發展下去。”他說。
中科院院士、中科院神經科學研究所所長蒲慕明認為，該技術針對基因編輯的安全性問題，“有了它，便可以更加客觀、可靠地評估基因編輯工具的脫靶率”。
針對該技術在單堿基編輯工具BE3中發現的重大“安全隱患”，蒲慕明表示：“這能讓我們重新審視基因編輯技術的安全性，但不是說這項技術不能再開展基因治療了。正是因為已經建立新的檢測技術，我們才知道如何去修正、改善BE3，從而開發安全性更高的新一代基因編輯工具，造福患者。”
相關論文信息：DOI:10.1126/science.aav9973
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