Nature头条:包括中国学者在内的研究组利用CRISPR成功实现人体胚胎编辑

【字体: 时间:2017年08月04日 来源:生物通

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  一个由中美韩三国科学家组成的国际研究团队利用CRISPR-Cas9基因编辑技术在多个活体人胚胎中纠正了引发一种疾病的基因突变,这是第一次成功的利用CRISPR-Cas9技术在人类早期胚胎发育过程中,修复导致肥厚型心肌病的基因突变,而且这项研究也在技术效率和准确性方法得到了提升。

  

生物通报道:一个由中美韩三国科学家组成的国际研究团队利用CRISPR-Cas9基因编辑技术在多个活体人胚胎中纠正了引发一种疾病的基因突变,这是第一次成功的利用CRISPR-Cas9技术在人类早期胚胎发育过程中,修复导致肥厚型心肌病的基因突变,而且这项研究也在技术效率和准确性方法得到了提升。

这一重要的成果公布在今日(8月2日)Nature杂志上,这项研究由多个研究机构联合完成,主要研究组包括美国俄勒冈州健康和科学大学的俄裔研究员Shoukhrat Mitalipov,韩国基础科学研究所国立首尔大学Jin-Soo Kim研究组、加州Salk生物医学研究所Juan carlos izpisua Belmonte研究组以及中国华大基因的3名研究人员(华大基因研究院院长徐迅在列)。

人类胚胎基因编辑在争议中前行

Mitalipov曾在2007年完成全球首批克隆猴子胚胎,2013年,他还通过向剔除细胞核物质的卵细胞内植入皮肤细胞,成功培育出了人类胚胎干细胞。2015年中山大学黄军就团队当时报告说,他们在世界上首次对人类胚胎中有可能导致地中海贫血症的一个基因进行了修改,这项成果公布之后引发了学界震动,同时也导致了之后的发表人类胚胎编辑工作的标准落实。不过这项研究采用的是不能存活的胚胎。

2015年美国国家科学院、美国国家医学院、中国科学院和英国皇家学会在华盛顿召开了人类基因编辑峰会。各方在会上达成共识,允许开展人类胚胎基因编辑的基础研究,但强调指出,现在就把该技术投入临床使用的做法“不负责任”。这是国际上首次为基因编辑研究划定了不可逾越的“红线”。

在这之后,中国科学家又报告了两次人类胚胎基因编辑研究,而英国也首次批准一个研究团队利用CRISPR技术编辑人类胚胎。

在最新这项研究中,研究人员针对的是一种称为MYBPC3的基因突变,这种突变导致心脏肌肉增厚,从而引发肥厚型心肌病(HCM)。据报道每500人中就有1人患有HCM,只要遗传一份MYBPC3基因中的变异版本,就能致病,可能造成心原性猝死和心力衰竭。当前对HCM的治疗方案只可缓解症状,但没有解决遗传问题。

目前阻止有害变异传给下一代的方法之一,是通过胚胎植入前的遗传诊断,挑选出没有有害变异的胚胎,然后在体外受精周期中进行胚胎移植。近年来的技术发展证明,精确基因组编辑技术(如CRISPR-Cas9)可能被用于修正人类胚胎中的致病变异,以此来增加可移植胚胎的数量。但是现阶段基因编辑技术还处于研究初期,还有安全风险的问题,同时伦理问题也必须认真严肃对待。

最新这项研究采用的就是CRISPR-Cas9,在美国完成,美国不允许将联邦资金用于涉及人类胚胎的研究,但这项研究由私人捐助者资助,因此是合法的。

在以往的发表研究中,CRISPR/Cas9系统被注射进实施体外受精之后的原核期胚胎中,由此产生的最大问题是会产生一些嵌合体胚胎,得到的是混合有基因编辑修复过和没有修复过的胚胎。而这次Mitalipov研究组则是通过将CRISPR/Cas9注入减数分裂II期(metaphase II,MII)卵母细胞,并几乎在同时使其受精。

研究人员将来自健康捐赠者的卵母细胞和来自一名杂合携带MYBPC3基因变异的男性的精子(这名男性携带该基因的一个变异版本和一个正常版本)结合,培育出受精卵,然后利用CRISPR-Cas9在变异基因序列上剪出一个缺口,并观察人类胚胎如何修复这些DNA缺口。

实验结果表明,在实验组中的58个受试胚胎中,有42个胚胎没有携带肥厚型心肌病致病基因突变,占比74.2%。如前所述,如果不进行基因编辑处理,在50%精子正常的情况下,受精卵正常的概率是50%。也就说,这项研究通过基因编辑将产生完全正常的胚胎的比例从50%提高到了74.2%。而另外27.6%也就是16个胚胎引入了一些非预期的插入或缺失突变。

改进步骤

具体来说,Mitalipov研究组为了提高这一技术的安全性,采取了几个步骤。 首先CRISPR系统需要一种称为Cas9的酶,Cas9在RNA指导下在分子靶向的位点处切割基因组。通常,编辑基因组的研究人员是将编码CRISPR成分的DNA插入到细胞中,然后通过细胞机制产生必需的蛋白质和RNA。但是,Mitalipov研究组则是将Cas9蛋白本身(与导向RNA结合)直接注入细胞。


韩国大田基础科学研究所Kim-Soo Kim解释道,由于Cas9蛋白比编码这一蛋白的DNA降解速度更快,因此酶切时间缩短了,“Cas9迅速降解,脱靶突变几乎没有时间来累积。”

不过Kim也指出CRISPR-Cas9错误率可能会根据靶向DNA序列的不同而发生变化,比如MYBPC3突变预计产生的脱靶切割相对就比较少。

来自麻省总医院的Keith Joung认为,这一研究组没有发现脱靶改变,并不代表脱靶不存在,“尽管这可能是迄今为止对基因组编辑的人类胚胎中进行的最广泛的脱靶效应检查,但是如有要确定脱靶效应是否真的没有,还是需要进行更多的研究。”

设计婴儿

波士顿儿童医院的干细胞生物学家George Daley说,Nature这篇论文中基因编辑的效率令人兴奋。“这项技术有可能增加这一技术的可操作性,但现在来说还为时过早。”同时这也可能会打开“设计婴儿”的大门,从而允许父母选择得到具有某种特征的婴儿。

从某种意义上来说,这项工作从原理上证明CRISPR编辑胚胎完全可行,但这不意味着人体临床试验的开始。伦敦研究所的发育生物学家Robin Lovell-Badge也同样有这方面的担忧,不过他指出对于“设计婴儿”(不仅仅是纠正引起疾病的突变,而且还从遗传上改良基因)的担忧也许能通过这篇文章得到缓解,因为Mitalipov这项研究中,利用了一条DNA链作为纠正致病突变的模板。但令人惊讶的是,胚胎并没有使用研究人员提供的模板,而是使用了母亲的DNA作为指导来修复父亲精子携带的MYBPC3突变。

Loveart-Badge说:“这为设计婴儿增添了不清楚的问题,这表明不能添加体内还没有的东西。”

(生物通:万纹)

原文标题:

Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos

 

 

 

 

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