棉花团队系统总结基因编辑脱靶效应

南湖新闻网讯（通讯员 金双侠）2月6日，国际学术期刊Advanced Science 杂志在线发表了华中农业大学棉花遗传改良团队题为“CRISPR/Cas systems in genome editing: methodologies and tools for sgRNA design, off-target evaluation and strategies to mitigate off-target effects”的综述论文，该论文总结了当前的基因编辑工具，基因编辑产生的脱靶效应及类型，脱靶效应的机理，动植物的脱靶效应存在的问题；并总结了如何进行sgRNA设计，脱靶效应的评估和预测，避免和减轻脱靶效应的策略以及预期的基因组编辑结果的影响。

基因组编辑（Genome Editing, GE）技术是当前生命科学研究的前沿领域，近年来基因组编辑技术发展迅猛，出现了多种不同的基因组编辑方法包括锌指核酸酶(ZFN)技术，转录激活样效应因子核酸酶(TALEN)技术和串联间隔短回文重复序列（CRISPR/Cas）等系统，其中以CRISPR/Cas9系统最为便捷高效，应用也最广泛。目前CRISPR/Cas9系统已用于治愈人类遗传病、实现细胞个性化治疗、开发新药、作物遗传改良等领域。但CRISPR技术存在的脱靶效应（Off-target effect）依旧是影响CRISPR技术能否广泛应用的主要限制因素，如何正确评估、检测脱靶效应，并提出相应的策略降低脱靶效应是当前基因编辑研究领域的重要研究方向。

为什么要关注基因编辑脱靶问题？

CRISPR / Cas9系统在基因组编辑中显示出巨大的潜力，但其脱靶可能给宿主生物带来严重的问题。脱靶可以导致染色体重排，在不完全匹配的基因组处造成损伤，并限制了GE在人类医学研究上的应用。除干扰染色体稳定性外，脱靶效应还可能导致功能基因活性的丧失，从而导致各种生理或信号异常（图1）。在植物中，CRISPR/Cas9已在超过30种植物物种和数百个基因实现成功编辑。与人类的基因疗法和临床研究不同，植物研究不受伦理学问题的影响，并且对GE的脱靶效应的耐受性可能更高。虽然对于植物脱靶效应可以通过育种过程表型筛选来消除脱靶突变或自发突变，但对科学问题的研究依然带来很大的不确定性。因此非常有必要对基因组编辑中存在的脱靶问题进行系统分析，为未来更加高效、精准地利用基因编辑技术提供理论依据及解决方案。

图1. CRISPR/Cas9系统的脱靶效应

基因编辑脱靶效应是如何产生的？

Cas9与DNA之间的相互作用首先是通过PAM位点的识别和结合来介导的，同时crRNA和潜在靶标编辑序列之间的结合进行定向反应，形成稳定的R-循环，进而激活酶切活性使PAM近端DNA断裂。当sgRNA序列识别出特定序列之外的部分错配而不是靶上位点时，就会产生脱靶效应（图2）。同时，许多关于脱靶的研究指出，错配的类型及其与PAM序列的距离非常重要。通过该信息可以开发出多种脱靶评分方法，从而有助于基于脱靶预测的gRNA选择。

图2 CRISPR/Cas 9 系统脱靶效应产生的机制

CRISPR/Cas系统脱靶效应的检测方法及应对策略有哪些？

针对CRISPR/Cas系统存在脱靶效应，已经开发出多种检测脱靶效应的方法主要包括Whole-genome sequencing (WGS)、Genome-wide, unbiased identification of DSBs enabled by sequencing (GUIDE-seq)、Digested genome sequencing (Digenome-seq)、BLESS、EndoV-seq (Endonuclease V sequencing)等以及 CRISPR-PLANT v2、CT-Finder(CRISPR Target、Cas-OFFinder) 等多种脱靶预测工具。 尽管脱靶效应可能会限制基因组编辑的广泛使用，但基因组编辑技术的发展为包括动物，人类和植物在内的各种生物体的基因组编辑提供了一系列分子工具，为了克服脱靶问题，越来越多的新型编辑系统（单碱基编辑系统、Cas9系列变体、截短的sgRNA、RNA编辑系统等），高质量的参考基因组信息，更加合理、高效的sgRNA设计工具，高效的GE递送系统等得以开发，能够使基因组编辑体系越来越精确，高效和可靠，避免或减少脱靶效应。

华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室张献龙教授和金双侠教授为该论文的共同通讯作者，植物科学技术学院已毕业博士生Hakim Manghwar和博士生李波为共同第一作者。该研究得到国家科技部转基因专项（2018ZX08010-05B、2016ZX08005-001-006和 2019ZX08010-003）和中国工程院咨询项目(2018-XY-63)的支持。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902312