Nature：重磅！利用CRISPR–Cas9成功校正人胚胎中的致病性突变

上周，关于一个科学家小组首次在美国对活的人胚胎进行基因编辑的消息传开了。不过，这一成就的细节在当时是粗略的。如今，他们在线发表了他们的结果，揭示出他们成功地校正导致心脏病的MYBPC3基因突变。相关研究结果于2017年8月2日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos”。

图片来自Nature期刊

美国哈佛大学-麻省理工学院布罗德研究所遗传学家George Church（未参与这项研究）告诉《科学家》杂志，“这是一个非常重大的里程碑。人们对美国丧失它的优势感到焦虑不安，这是因为中国正在取得进展。但是这项精心设计的研究仅是花了较长的时间就获得丰硕的成果。”

2015年，中国科学家们首次报道将CRISPR在人胚胎中使用（Protein & Cell, doi:10.1007/s13238-015-0153-5）。在那项报道下，人胚胎具有阻止它们自己存活的染色体异常。而在这项新的研究中，受精卵是有活力的，它们唯一的麻烦在于遗传自父本的MYBPC3基因发生仅4个碱基对的小缺失。

几十年来，人们早已知道MYBPC3基因突变是肥厚型心肌病（hypertrophic cardiomyopathy）的病因。美国俄勒冈健康与科学大学的Paula Amato和Shoukhrat Mitalipov与一个大的合作者团队一起寻求利用CRISPR-Cas9在发生这种突变的DNA位点上引入断裂，随后就能够将一段正常的序列导入到那里。

为此，这些研究人员招募了12名健康的卵子供者和1名携带着这种MYBPC3缺陷的精子供者。根据这项研究报道的那样，这名精子供者利用一种植入式除颤器和药物控制他的心脏病。他们首先在诱导性多能干细胞（ipsC）中测试了他们的技术，发现大约27%的克隆得到修复。

他们随后转向研究胚胎，这些胚胎都不用于植入。几十个胚胎接受CRISPR处理，其中一些胚胎是已受精的受精卵（在S期），其他的胚胎是早期的卵母细胞（在M期），在这些早期的卵母细胞中，他们同时注射精子和CRISPR试剂---Cas9、向导RNA（gRNA）和模板DNA。

在这两种情形下，相比于对照组，正常的纯合胚胎数量在接受CRISPR处理的实验组中更高（实验组中大约为72%，对照组中大约为50%）。Mitalipov在一篇新闻稿中说道，“如果我们想要针对这种特定的突变开展临床阶段的应用和临床试验，那么我认为我们仍然需要提高疗效。尽管野生型/野生型胚胎的产率仍然比较高，但是它并不是100%。我们有提高的空间。”

Amato说，“我们肯定想要利用其他的突变和其他的供者重复这一点。”

这些研究人员发现，在M期注射的优势在于它消除了所有的镶嵌迹象，即不会出现一些细胞正确地接受CRISPR处理，而其他的细胞没有正确接受处理。此外，全基因组测序并未发现脱靶效应。 Church说，“从镶嵌和脱靶效应的角度来看，这使得之前的研究看起来非常业余。”

临床限制

在美国密歇根大学研究肥厚型心肌病的Adam Helms说，尽管技术上令人印象深刻，但是利用CRISPR修复MYBPC3基因突变的临床实用性是非常有限的。举个例说，这种疾病的症状差别比较大，比如在严重的病例中，儿童患者需要接受心脏移植，其他的病例相对较为温和，因此很难预测患者处于哪个病情阶段。他说，对如此一种症状多样化的疾病而言，植入前基因编辑或者甚至基因治疗是它的所有治疗方法中的“极端”方法。

再者，遗传多样性也需要考虑。尽管MYBPC3基因突变是一种常见的病因，但是Amato的论文中描述的这种特定的突变并不是常见的。Helms查阅了SHaRe（Sarcomeric Human Cardiomyopathy Registry）心肌病登记处，SHaRe登记处包含携带MYBPC3突变的706个人的数据。在这些MYBPC3突变当中，存在161种不同的突变，而且有100种突变是独特的。这种精子中的MYBPC3基因缺失4个碱基并未记录在SHaRe登记处。

Helms说，“这意味着在这个特定的突变位点进行基因编辑的方法将并不会有助于携带其他MYBPC3突变的患者。”他补充道，如果基因编辑针对每个人的特定突变进行个人化定制，“那么开发和安全测试将需要上百种不同的试剂来证实脱靶效应不会发生。”

尽管存在这些临床限制，这些研究人员仍然从这些实验中获得新的生物学见解。显著的是，他们吃惊地发现胚胎似乎利用正常的母本等位基因作为模板（这一过程称为同源重组修复）而不是利用导入的DNA模板校正这种特定的突变。相反，ipsC偏好利用导入的DNA模板校正突变。

美国加州大学戴维斯分校干细胞生物学家Paul Knoepfler在发给《科学家》杂志的电子邮件中写道，“读到这篇论文的这一部分时，我也感到非常吃惊。仅这种类型的研究才能够发现这种差别。”

Knoepfler注意到在这种方法达到完善之前，仍然有相当多的技术缺陷需要解决。比如，尽管这些研究人员并没有观察到脱靶效应，但是他们在大约25%的时间里确实观察到了indel，即在靶位点上插入或删除少量碱基对。“从技术上而言，这是较低发生的，而且也是鼓舞人心的，但是从临床角度而言，这是一个非常高的数字，必须在实验室研究中将它显著降低到接近于0。”

然而，技术上的不完美可能并不是在诊所中开展生殖系编辑的最大障碍。体外受精诊所已有可靠的筛选方法来确保具有严重遗传缺陷的胚胎不会被植入。Amato说，这种CRISPR处理会被用来增加健康胚胎的产率，但是Knoepfler说，CRISPR必须完美地发挥功能以便让它自己有价值。

除此之外，美国食品药品管理局（FDA）将不会考虑批准生殖系编辑研究，因此，如果这些研究人员打算在临床上开发这种技术，那么他们将不得不到海外看看。

参考资料：

1.Hong Ma, Nuria Marti-Gutierrez, Sang-Wook Park et al. Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos. Nature, Published online 02 August 2017, doi:10.1038/nature23305

2.Details Published on CRISPR-treated Embryos

3.Early gene-editing success holds promise for preventing inherited diseases

本文来源于：生物谷

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