新研究警告人类胚胎基因编辑的危险

科学家发现，早期人类胚胎的细胞通常无法修复 DNA 损伤。研究人员表示，这对于拟使用基因编辑技术消除胚胎中严重遗传性疾病以及一般体外受精具有重要意义。

英国牛津大学的 Nada Kubikova 博士在欧洲人类生殖与胚胎学学会 (ESHRE) 第 39 届年会上介绍了这项研究，她说：“基因编辑有潜力纠正有缺陷的基因，^这一过程通常涉及先断裂然后修复 DNA 链。我们的新发现警告说，常用的基因编辑技术如果应用于人类胚胎，可能会产生不良和潜在危险的后果。

她描述了她如何评估基因编辑工具 CRISPR-Cas9，以剪切和替换早期胚胎细胞中的 DNA 片段。

我们的结果表明，在早期人类胚胎中使用 CRISPR-Cas9 存在重大风险。我们发现可以高效地靶向胚胎细胞的 DNA，但不幸的是，这很少会导致纠正缺陷基因所需的那种变化。更常见的是，DNA链被永久断裂，这可能会导致胚胎出现额外的遗传异常。”

Nada Kubikova 博士，牛津大学

基因编辑已开始用于患有囊性纤维化、癌症和镰状细胞病等基因突变引起的疾病的儿童和成人。如果在胚胎植入子宫之前对其进行基因编辑，则可以避免更多的遗传性疾病，因为这是可以保证 CRISPR-Cas9 技术到达胚胎每个细胞的唯一发育阶段。然而，由于它有可能在人类基因组中产生变化并代代相传，并且由于其安全性的不确定性，目前全球大多数国家都禁止在胚胎中使用它[2]。

“我们的知识仍然存在重大差距，”库比科娃博士说。“我们想要评估 CRISPR-Cas9 是否可以成为纠正人类胚胎遗传错误的有效方法，并阐明这种方法是否可以安全使用。”

在一项经伦理批准的研究中，Kubikova 博士和她的同事使用胞浆内单精子注射 (ICSI) 使捐赠的卵子与捐赠的精子受精，创造了 84 个胚胎。在 33 个胚胎中，他们使用 CRISPR-Cas9 在构成 DNA 分子的两条链上产生断裂，称为 DNA 双链断裂。

“我们使用 CRISPR 来靶向不含任何基因的 DNA 区域，”库比科娃博士说。“这是因为我们想了解 CRISPR 如何影响胚胎细胞及其 DNA 的真实情况，而不是因破坏特定基因而引起的变化而分心。”

其余 51 个胚胎作为对照。

“身体的所有细胞都有高效的机制来修复影响其 DNA 的损伤。在大多数情况下，断裂的 DNA 链的末端会很快重新连接。这一点非常重要，因为未修复的 DNA 损伤持续存在会阻止细胞正常工作，并可能导致细胞死亡。”细胞修复 DNA 的最常见方式是重新连接 DNA 链的两端，尽管发生这种情况时，通常会在链重新连接的位置删除或复制几个遗传密码字母。这会破坏基因并且不允许突变得到纠正。这被称为非同源末端连接，”库比科娃博士说。

“细胞修复 DNA 断裂的另一种方法是使用受影响区域的完整副本作为模板，复制它并替换受损区域。可以为细胞提供含有轻微改变的 DNA 序列，例如具有正常序列而不是突变。然后，细胞在修复 CRISPR 产生的断裂时可以使用这些模板，去除断裂的 DNA 片段并同时复制所提供序列的其余部分。这被称为同源定向修复，是纠正突变所需的过程。”

研究人员在 25 个胚胎中的 24 个中检测到了目标 DNA 位点的改变，表明 CRISPR 在人类胚胎细胞中非常有效。然而，只有百分之九的目标位点使用临床上有用的同源定向修复过程进行了修复。百分之五十一的断裂 DNA 链经历了非同源末端连接，在链重新连接处产生突变。其余40%的断裂DNA链未能修复。DNA链中未修复的断裂最终导致大片染色体丢失或复制，这些染色体从断裂处延伸到染色体末端。这种类型的异常会影响胚胎的活力，如果将受影响的胚胎转移到子宫并产生婴儿，它们将面临严重先天性异常的风险。

“我们的研究表明，同源定向修复在早期人类胚胎中并不常见，并且在生命的最初几天，人类胚胎的细胞难以修复断裂的 DNA 链。CRISPR-Cas9 在靶向 DNA 位点方面非常有效。然而，大多数细胞使用非同源末端连接修复了 CRISPR 诱导的 DNA 断裂，这一过程引入了额外的突变而不是纠正现有的突变。如果尝试使用 CRISPR-Cas9 来纠正遗传性疾病，这将是一个挑战人类胚胎，因为这表明大多数时候尝试都不会成功，”库比科娃博士说。

“虽然结果警告不要在人类胚胎中使用基因组编辑，但也有一些积极的发现，表明通过修改基因组编辑的方式可以降低风险并提高成功消除突变的能力。这提供了希望未来该技术能够得到改进。

“平均而言，通过 IVF 创建的胚胎中只有约四分之一能够成功生产婴儿。其中一半在移植到子宫之前就在实验室中停止发育。这项研究揭示了胚胎无法有效修复 DNA 损伤的问题。” “这项研究可能解释为什么一些体外受精胚胎无法发育。这种理解可能会导致体外受精治疗的改进，”她说。

现在，研究人员将寻找新的方法来保护早期胚胎免受 DNA 损伤，这可能会导致生育治疗的潜在改进。他们还计划探索更温和的基因编辑方法，避免 DNA 链断裂，胚胎可能更容易应对这种情况。

库比科娃博士总结道：“未来，此类方法可能会提供逆转导致家庭几代人遭受苦难的突变的可能性，从而防止灾难性疾病的遗传。”

ESHRE 候任主席、布鲁塞尔自由大学（比利时）生殖和遗传学研究组组长 Karen Sermon 教授没有参与这项研究。她评论道：“这是库比科娃博士和她的同事们进行的一项出色的研究。它强调了为什么在尝试对人类胚胎进行基因编辑之前需要彻底研究和理解基因编辑的重要性。

“我认为基因编辑很可能在未来的某个时候成为一种有用的工具，用于在少数不适用植入前基因检测的情况下，防止婴儿出生时患有严重的遗传疾病。然而，这项研究表明，它可能会出错的方式。我们需要一段时间才能确信我们真正了解如何成功地使用它，而不会出现任何不必要和意外的意外。这将需要严格的监管。同时，像这样的仔细研究会带来我们更近了一步，也可能有助于了解如何改善生育治疗。”