CRISPR/Cas9技术,热度背后的冷思考

日期: 2018年04月16日


    

近年来,CRISPR/Cas9基因编辑技术正在给整个科研界带来革命性变化,该技术使用CRISPR系统将Cas9蛋白和向导RNA注入小鼠受精卵,就能轻松实现基因敲除,同时,注入Donor DNA则可实现基因敲入,甚至国际著名学术期刊Genome Biology有文章指出这项新技术将很快取代使用胚胎干细胞的基因修饰,看起来小鼠胚胎干细胞基因修饰技术的终结不可避免。


然而,事实是这样吗?


脱靶效应仍存争议


CRISPR/Cas9这一被称为“魔剪”的基因编辑工具在基因工程应用方面被寄予厚望。但是,脱靶效应这一有争议的老问题一直影响着CRISPR/Cas9系统的应用。有文献报道,CRISPR/Cas9的切割是通过gRNA与基因组位置之间20bp碱基的配对,且配对碱基的 5′ 端需要有PAM结构,再引导Cas9作用实现的,但是CRISPR/Cas9与靶位点识别的特异性主要依赖于gRNA与靠近PAM处10-12bp碱基的配对,而其余远离PAM处8-10bp碱基的错配对靶位点的识别影响不明显,这项研究直接说明了CRISPR/Cas9存在严重的脱靶性,即该技术可以发生非特异性切割,引起基因组非靶向位点的突变,这样会造成研究结果的不确定性。


去年在Nature Methods杂志上发表的研究“Unexpected mutations after CRISPR-Cas9 editing in vivo”通过全基因组测序分析表明CRISPR基因编辑会引入数百种不可预估的突变到基因组中,文章所指出的大规模脱靶问题,对CRISPR的应用提出了尖锐的挑战,却又在今年3月30日出现反转并进行了撤稿处理。值得注意的是,这篇文章的第一作者Kellie A Schaefer和共同第一作者Wen-Hsuan Wu均同意撤稿,而包括通讯作者Alexander G Bassuk以及Vinit B Mahajan在内的其余四位作者则不同意撤稿。这与通常的撤稿情况还是有所不同,一般的撤稿大多数情况貌似都是通讯作者要撤稿,这篇争议性文章通讯作者则坚持了自己的意见。显然,这篇文章在研究者们内部也有巨大分歧。


不过,也有研究表明,CRISPR的脱靶问题并没那么严重:bioRxiv期刊上的研究“Whole genome sequencing of multiple CRISPR-edited mouse lines suggests no excess mutations.”指出,多个采用CRISPR/Cas9技术基因编辑的小鼠品系经过全基因组测序后的结果显示,CRISPR/Cas9技术可在生物水平上精准地对基因组进行编辑,并没有引入很多非预期的脱靶突变。


从以上这些充满争议性的研究可以看出,在应用CRISPR/Cas9技术时,其脱靶效应仍需谨慎考虑。综合来看,现阶段修饰准确、效果稳定、脱靶率极低的ES打靶技术仍是研究者的较优选择。


CRISPR/Cas9技术目前难以胜任复杂的基因编辑


另一方面,对于复杂的基因修饰(如条件性敲除、条件性点突变和大片段敲入等),CRISPR有先天不足,因为此时需要Donor DNA与受精卵中基因组的特定位置发生同源重组,而同源重组的效率很低。相反,ES打靶技术在这一方面因其flox区域范围大、对于复杂结构宽容度高、打靶一次成功率高等特点,会有明显的优势。


CRISPR/Cas9专利之争仍存争议,商业化应用存在较大隐患


对于CRISPR/Cas9技术,还有一个值得关注的是其专利使用问题,CRISPR/Cas9专利是基于多家机构的研究成果,产权不明晰,一直存在所有权之争。


2017年初,Broad研究所和合作者们被授权了关于真核生物细胞(包括人类细胞)的基因组编辑的CRISPR专利,而加州大学伯克利分校和合作者授权的专利是关于将CRISPR技术用于到cell-free系统中,并不是涉及真核细胞的基因组编辑。然而,后者对这一判决结果并不满意,不满意的结果就是启动专利抵触程序(interference proceeding)。通过该程序一个发明者可以接手另一个发明者的专利。


来自咨询公司IPStudies2017年的数据显示,目前还有763项和Cas9相关的专利,在这些专利中,有些声称拥有某些CRISPR/Cas9基因编辑方面的专利权,随着时间过去,这些专利的拥有者或许也会试图去维护他们的权利。


CRISPR专利的纷争给一些商业机构带来了巨大的困惑。 首先,这意味着在未获得CRISPR/Cas9技术专利授权的商业机构购买基于CRISPR/Cas9技术提供的技术服务和产品,存在着较大的法律风险;其次,很难保证从一家专利所有人购买的专利能覆盖所有应用需求。


应用CRISPR/Cas9技术发表的文章数量和质量低于ES打靶技术发表的文章


通过Google学术搜索2013年至今有关CRISPR/Cas9基因敲除和ES打靶技术有关的文章,搜索knockout “embryonic stem cell” or “ES cell” 找到约17300条结果,搜索knockout “crispr” or “cas9” 找到约16100条结果。


针对两个搜索结果,随机抽检搜索列表中的100篇文献,统计分析后发现采用ES打靶技术发表的文章平均影响因子比CRISPR/Cas9技术发表的文章高2.1 IF。因此,不论从文章质量还是数量,目前CRISPR/Cas9技术的影响力仍弱于金标准的ES打靶技术。不过不可因此否认CRISPR/Cas9技术未来潜在的影响力。


综合以上几个方面来看, 近年来一直处于风口浪尖的热点CRISPR/Cas9基因编辑技术已经出现过多次类似的“危机”,虽然有很多优势,但学界仍需对其保持冷静态度,随着不同国家、不同地域的研究者们在CRISPR领域孜孜探索,也许这次一系列事件对CRISPR来说并非危机,反而是推动其发展的重要力量,我们也希望科学家们可以不断去探索,优化工艺,以期将基因组编辑技术被更广泛应用于临床的疾病治疗。

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