苏黎世联邦理工学院（ETH）的研究人员发现，使用CRISPR-Cas基因剪刀存在一个严重的副作用。一种旨在提高该过程效率的分子会破坏基因组的其他部分。当研究人员使用CRISPR-Cas9技术时，他们必须权衡安全性和更高的效率。（图片由AI生成：Josef Kuster / 苏黎世联邦理工学院）
简介：
- 为了使CRISPR-Cas9系统的基因编辑更高效，研究人员最近开始使用一种名为AZD7648的分子。
- 苏黎世联邦理工学院的研究人员现在发现，尽管这种分子如预期般有效，但它有一个不希望的副作用，即破坏基因组的其他区域。
- 他们认为不应使用这种分子进行基因编辑，而应寻找其他方法来提高其效率和安全性。
近年来，使用各种CRISPR-Cas分子复合体进行基因组编辑取得了快速进展。全球数百个实验室正在努力将这些工具应用于临床，并不断改进它们。
CRISPR-Cas工具允许研究人员以精确和有针对性的方式修改遗传物质的单个构建块。基于此类基因编辑的基因疗法已经用于治疗遗传性疾病、对抗癌症和创造耐旱耐热的作物。
启动修复
CRISPR-Cas9分子复合体，也称为基因剪刀，是全球科学家最常用的工具。它在需要修改的遗传物质的确切位置切割双链DNA。这与较新的基因编辑方法不同，后者不会切割双链。
切割激活了细胞用于修复此类损伤的两种自然修复机制：一种是快速但不精确的，仅重新连接切割DNA的末端；另一种是缓慢而精确的，但并非每次都会被激活。后者需要一个可复制的模板来进行精确修复，将DNA重新连接到切割位点。
缓慢的变体称为同源定向修复。研究人员希望使用这种方法，因为它可以精确地将个别DNA片段整合到所需的基因区域。这种方法非常灵活，可用于修复不同的疾病基因。“原则上，它可以用于治愈任何疾病，”苏黎世联邦理工学院基因组生物学教授Jacob Corn说。
使用单一分子提高效率
为了让细胞使用同源定向修复，研究人员最近开始使用一种名为AZD7648的分子，该分子阻断快速修复，迫使细胞使用同源定向修复。这一方法有望加速更高效基因疗法的开发。初步研究显示，这些新疗法效果良好。然而，事实证明好得令人难以置信。
由Jacob Corn领导的研究小组刚刚发现，使用AZD7648会产生严重的副作用。这项研究刚刚发表在《自然生物技术》杂志上。
大规模的基因变化
尽管AZD7648确实促进了精确修复，从而实现了使用CRISPR-Cas9系统的精确基因编辑，但在相当一部分细胞中，这导致了基因组预期修改区域的大规模基因变化，而且这些变化没有留下疤痕。苏黎世联邦理工学院的研究人员发现，这些变化导致了数千甚至数万个DNA构建块（称为碱基）的简单删除。甚至整个染色体臂都断裂了。这使得基因组变得不稳定，对使用该技术编辑的细胞产生了不可预测的后果。
“当我们分析编辑后的基因组时，看起来是正确和精确的。但当我们更广泛地分析基因组时，我们看到了大规模的基因变化。这些变化在仅分析短的编辑部分及其邻近区域时是看不到的，”Corn研究小组的博士后Grégoire Cullot说，他是该研究的第一作者。
损害程度很大
负面效应的程度让研究人员感到惊讶。事实上，他们怀疑尚未完全了解损害的全部范围，因为在分析修改后的细胞时，他们只查看了部分区域，而不是整个基因组。因此，需要新的测试、方法和规定来澄清损害的程度和潜在影响。
AZD7648分子并不鲜为人知。目前，它正处于作为潜在癌症治疗药物的临床试验阶段。“然而，我们敦促在使用这种分子进行基因编辑时要谨慎。需要进行更大规模的测试，以了解基因组对使用该分子编辑的反应，”Grégoire Cullot说。
但苏黎世联邦理工学院的研究人员是如何意识到这个问题的呢？在其他研究中，研究人员展示了在添加AZD7648后，CRISPR-Cas9基因编辑的高度有效性和精确性。“这让我们感到怀疑，所以我们进行了更深入的研究，”Jacob Corn说。
苏黎世联邦理工学院的研究人员不仅分析了编辑位点周围的DNA构建块序列，还分析了更广泛的环境。他们发现了使用AZD7648造成的这些不希望的灾难性副作用。他们的研究是首次描述这些副作用的。其他研究小组也在研究这些问题，并支持苏黎世联邦理工学院的研究结果。他们也打算发表自己的研究结果。“我们是第一个说并不是一切都很美好的，”Corn说。“对我们来说，这是一个重大挫折，因为和其他科学家一样，我们曾希望通过新技术加速基因疗法的发展。”
新的开始
尽管如此，Corn表示，这并不是终点，而是进一步使用CRISPR-Cas技术进行基因编辑的开始。“任何新技术的发展都是崎岖的道路。一次跌倒并不意味着我们要放弃这项技术。”
未来可能通过使用不止一种分子，而是多种不同物质的混合物来避免危险，以促进HDR。“有很多可能的候选者。我们现在需要找出这种混合物应该由哪些成分组成，以不损害基因组。”基于CRISPR-Cas系统的基因疗法已经在临床上成功应用。例如，在过去几年中，已有100名患有遗传病镰状细胞贫血症的患者接受了基于CRISPR-Cas的治疗——没有使用AZD7648。“所有患者都被认为已痊愈，且没有副作用，”Corn说。“因此，我对像这样的基因疗法成为主流持乐观态度。问题是哪种方法是正确的，我们需要做些什么才能使这项技术对尽可能多的患者安全。”
参考文献
Cullot G, Aird EJ, Schlapansky MF等。使用HDR增强DNA-PKcs抑制剂AZD7648进行基因编辑会导致大规模基因组改变。《自然生物技术》（2024）。外部页面 doi:10.1038/s41587-024-02488-6
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