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,这篇文章的作者 kellie a schaefer 和共同作者 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li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li使用问题,crispr/cas9 专li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li,而加州大学伯克利分校和合作者授权的专li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li抵触程序(interference proceeding)。通过该程序一个可以接手另一个的专li。
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li,在这些专li中,有些声称拥有某些 crispr/cas9 基因编辑方面的专li权,随着时间过去,这些专li的拥有者或许也会试图去维护他们的权利。
crispr 专li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li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li所有人购买的专li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 2013 年至今有关 crispr/cas9 基因敲除和 es 打靶技术有关的文章,搜 knockout「embryonic stem cell」 or「es cell」找到约 17300 条结果,搜 knockout「crispr」or「cas9」找到约 16100 条结果。
针对两个搜结果,随机抽检搜列表中的 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,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,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。