解码生命 守护健康

到底什么是基因编辑呢？

这项具有革命性意义的技术，

到底会对人类社会作出怎样的改变？

我们现行的基因编辑技术系统

真的100%安全可靠吗？

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在我们身体的每一个细胞里，有许多携带着遗传信息的DNA片段——基因。

基因决定了我们眼睛、头发、皮肤的颜色，也规定了身上的每一种细胞负责干什么。它就像人体的代码。有了这组代码，人体这个复杂的程序，才能运作起来。

基因还可以被人为地改变，科学家们可以像用剪刀剪开小纸条一样，通过删除一小段DNA，或加入一小段DNA等方式，来改变人或其他生物体的基因。这就是所谓的基因编辑。

全世界有超过7000种罕见病，病患人数超过3亿人，其中80%是单基因遗传病。20000多个基因里，只要有一个基因发生突变，就有可能出现先天性失明、耳聋等罕见病症状。

罕见病有50%发生在儿童时期，因而其早期诊断对于迅速有效的干预至关重要。经过长期研究发现，如果利用安全、有效的基因编辑技术，对发生突变的单个碱基进行剪断、加入或替换等修正操作，可以改写基因组遗传密码中，能明确遗传性疾病的发病机制，从而推进罕见病的诊治。

目前全球95%的罕见病并没有有效的治疗药物，而预计到2022年，在基因编辑技术的支撑下，全球将有超过40种基因治疗新药上市。

今天，由上海科研团队领衔在学术期刊《科学》发表的研究论文指出，近年来兴起的单碱基编辑技术有可能导致大量无法预测的脱靶，因而存在严重的安全风险。

“所有基因编辑技术，都是利用病毒为载体，将一把把‘小剪刀’运输到细胞内。”论文通讯作者、中国科学院神经科学研究所（中科院脑科学与智能技术卓越创新中心）、上海脑科学与类脑研究中心杨辉研究员解释，“尽管有导航分子，但更多‘小剪刀’处于误打误撞状态——这就是基因编辑的脱靶”。

其他地方一旦被错误地“打中”，造成损伤，一是会影响正常的细胞功能，二是可能会激活一些癌基因，造成癌症风险。

传统的检测方法只检查科学家设定的目标区域的基因是否被准确改变，对其他区域则视而不见。“这些方法多数通过建立计算模型，对几万、几十万个细胞进行统计和筛选。”论文第一作者、杨辉课题组博士后左二伟解释，这就好比自己造个筛子，对这些检测数据进行筛选，如果筛子造得不合适，就会漏过很多本该发现的问题。

由中国科学院神经科学研究所（脑科学与智能技术卓越创新中心）、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室、中国科学院灵长类神经生物学重点实验室杨辉研究组与中国科学院上海营养与健康研究所隶属的计算生物学研究所（中国科学院-马普学会计算生物学伙伴研究所）、斯坦福大学遗传学系以及中国农业科学院深圳农业基因组研究所合作完成，在《科学》发表的一篇名为《胞嘧啶单碱基编辑会导致大量单核苷酸突变的脱靶》的研究论文，对此作了深入研究与分析。

△中国科学院灵长类神经生物学重点实验室杨辉研究组

怎样才能精准检测出基因编辑的脱靶率？2017年的一个下午，杨辉和左二伟在讨论这个问题时，忽然想到了另一条路径：检测一个基因编辑过的细胞中所有DNA序列，并与正常细胞进行比对。

△杨辉（中）与左二伟（左二）等研究组学生一起探讨问题

可知易行难，在30亿个碱基中“找错”，就好像在整个中国找出十几个通缉犯。为此，课题组联合中国科学院上海营养与健康研究所隶属的计算生物学研究所、斯坦福大学、中国农业科学院深圳农业基因组研究所，共同建立起了新型脱靶检测技术“GOTI”。

“GOTI”技术，能够排查出细胞里所有DNA被基因“剪刀”修改过的痕迹，由此精准评估出各种不同基因编辑技术的脱靶风险，把住安全关口。

△“GOTI”技术让基因编辑脱靶无处隐藏

CRISPR/Cas9是广泛关注的新一代基因编辑工具，自从2012年被发明以来，一直以高效性和特异性备受世人期待，学术界普遍认为基于它及其衍生工具的临床技术将为人类健康作出巨大贡献。然而值得注意的是，自问世以来，CRISPR/Cas9及其衍生工具的真实脱靶率一直存在争议，其脱靶风险始终没有得到充分而有效的检测。

借助于GOTI系统，团队成员先是检测了最经典的CRISPR/Cas9系统。结果发现，设计良好的CRISPR/Cas9并没有明显的脱靶效应，这个结果结束了之前对于CRISPR/Cas9脱靶率的争议。

然而团队还检测了另一个同样被给予厚望的CRISPR/Cas9衍生技术BE3，这个系统可以精确引入点突变，在之前的研究中从未发现过有明显的脱靶问题。然而在GOTI的检测下发现，BE3存在非常严重的脱靶，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，因此之前的方法一直没有发现其脱靶问题。

团队分析认为，这些脱靶位点有部分出现在抑癌基因上，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。研究团队的这些重要发现，证实了以BE3为代表的部分基因编辑技术存在无法预测的脱靶风险，让世人重新审视了这些新兴技术的风险。更重要的是，此工作建立了一种在精度、广度和准确性上远超越之前的基因编辑脱靶检测技术，有望由此开发精度和安全性更高的新一代基因编辑工具，建立行业的新标准。

现有BE3等单碱基编辑技术存在脱靶的问题。但是很多的人类遗传病是单碱基突变导致的，所以单碱基编辑这个技术本身还有着巨大的价值。接下去要做的主要是两件事，一个是更进一步检测，看看它除了会导致异常的基因突变以外还有没有别的问题，然后在这一切的基础上，设法改进这个系统，建立一种不会脱靶，也没有其它风险的单碱基编辑技术，真正做到发现问题之后，也能解决问题。

杨辉表示，基于这一技术，未来可以制定一些行业标准，让这个领域有序的，健康的发展下去。