基因编辑技术在人类胚胎中的挑战与希望：CRISPR-Cas9引发的DNA修复困难揭示潜在风险

自2015年以来，科学家们一直在警告不要使用CRISPR-Cas9技术修改生殖细胞基因组。当年在《科学》杂志上发表的一篇观点认为，尽管用于治疗疾病的应用看似无可厚非，但却可能使人类基因工程沿着“一条不可预测的坡道”向生殖细胞基因修改方向发展，带来无法预测的后果。

然而，这一对于编辑生殖细胞的警告被中国科学家贺建奎博士忽略了。当时，他进行了“CRISPR婴儿”实验，引起了科学界的震惊和反感。中国政府随即展开调查，最终贺建奎被深圳南方科技大学解雇，还面临巨额罚款、三年监禁以及对生殖技术研究的禁令。

尽管“CRISPR婴儿”事件导致了明确的专业和法律结果，但科学结果，更别提个体健康后果，仍然不明确。然而，在欧洲人类生殖与胚胎学会（ESHRE）第39届年会上，牛津大学的Nada Kubikova博士在一次报告中透露，早期人类胚胎的细胞通常无法修复其DNA的损伤。

在她的报告中，题为“CRISPR-Cas9揭示的人类囊胚DNA双链断裂修复不足”，Kubikova表示，胚胎中的DNA修复不足具有重要的含义。“基因编辑有潜力纠正有缺陷的基因，这通常涉及首先打破，然后修复DNA链的过程，”Kubikova说道。“我们的新发现警告称，常用的基因编辑技术如果应用于人类胚胎，可能会带来意想不到的潜在危险。”

她描述了她如何评估基因编辑工具CRISPR-Cas9，以在早期胚胎细胞中剪切和替换DNA的部分。

“我们的研究结果表明，在早期人类胚胎中使用CRISPR-Cas9存在显著风险，”她说。“我们发现胚胎细胞的DNA可以被高效地定位，但不幸的是，这很少导致纠正缺陷基因所需的改变。更常见的情况是，DNA链会永久性地断裂，这可能导致胚胎中的额外遗传异常。”

基因编辑已经开始在患有基因突变引起的疾病的儿童和成年人中使用，例如囊性纤维化、癌症和镰刀细胞病。如果基因编辑可以在胚胎植入子宫之前进行，那么可以避免许多遗传性疾病，因为这是CRISPR-Cas9技术能够确保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引起代际传递的变化，并且由于其安全性存在不确定性，大多数国家目前禁止在胚胎中使用这项技术。

“我们的知识仍然存在显著的空白，”Kubikova指出。“我们想评估CRISPR-Cas9是否可以成为纠正人类胚胎基因错误的有效方法，并探讨这种方法是否安全。”

在一项经伦理审查批准的研究中，Kubikova及其同事利用体外受精的方式，使用体外注射精子的方法创建了84个胚胎。在其中33个胚胎中，他们使用CRISPR-Cas9在构成DNA分子的两条链上制造断裂。

“我们使用CRISPR来定位不含任何基因的DNA区域，”Kubikova指出。“这是因为我们想了解CRISPR如何影响胚胎细胞和它们的DNA，而不受破坏特定基因引起的变化的干扰。”

其余51个胚胎被作为对照组保留。

“身体的所有细胞都具有高效的机制来修复影响它们的DNA的损伤，”Kubikova继续说道。“在大多数情况下，断裂的DNA链末端会迅速重新连接。这是非常重要的，因为未修复的DNA损伤会阻止细胞正常工作，并可能致命。细胞修复DNA的最常见方式是通过重新连接DNA链末端，尽管在这种情况下，会在链重新连接的位置删除或复制一些遗传密码的字母。这可能会破坏基因并且无法纠正突变。这被称为非同源末端连接。

“细胞修复DNA断裂的另一种方式是使用受影响区域的完整拷贝作为模板，复制它，并在这个过程中替换损坏的区域。可以向细胞提供含有略微改变的DNA序列的DNA片段，比如具有正常序列而不是突变的序列。细胞在修复CRISPR引起的断裂时可能使用这些模板，同时去除损坏的DNA片段并复制所提供序列的其余部分。这被称为同源定向修复，这是纠正突变所需的过程。”

研究人员在25个胚胎中检测到目标DNA位点的改变，表明CRISPR在人类胚胎细胞中非常高效。然而，只有9%的目标位点使用临床上有用的同源定向修复进行了修复，而51%的断裂的DNA链经历了非同源末端连接，导致链重新连接的位置产生突变。剩下的40%断裂的DNA链未被修复。未修复的DNA链断裂最终导致染色体的大片段丢失或复制，从断裂处一直延伸到染色体的末端。这种类型的异常影响胚胎的存活能力，如果受影响的胚胎被移植到子宫并产生婴儿，他们将携带严重先天性畸形的风险。

“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，在生命的最初几天，人类胚胎的细胞在修复断裂的DNA链方面存在困难，”Kubikova强调。“CRISPR-Cas9在定位DNA位点方面非常高效。然而，大多数细胞使用非同源末端连接来修复CRISPR引起的DNA断裂，这是一种引入额外突变而不是纠正已有突变的过程。这将是在试图使用CRISPR-Cas9纠正人类胚胎中的遗传性疾病时的一个挑战，因为它表明大多数尝试时都不会成功。

“虽然研究结果警告不要在人类胚胎中使用基因编辑，但也有一些积极的发现，表明通过修改基因编辑的方式可以降低风险，并提高成功删除突变的能力。这为技术的未来改进提供了希望。

“平均而言，通过体外受精创造的胚胎只有大约四分之一能够成功产生婴儿。其中一半在移植到子宫之前就在实验室停止了发育。这项研究揭示的胚胎无法高效修复DNA损伤的情况可能解释了一些体外受精胚胎发育失败的原因。这一理解可能会促使改进体外受精治疗。”

现在，研究人员将寻找保护早期胚胎免受DNA损伤的新方法，这可能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链的断裂，这样胚胎可能更容易适应。

“未来，这样的方法可能为消除困扰家族几代人的突变、防止遗传灾难性疾病的遗传提供可能性，”Kubikova总结道。

这项研究得到了布鲁塞尔自由大学遗传与胚胎学教授兼ESHRE主席Karen Sermon博士的评论。“Kubikova博士及其同事进行的这项研究非常出色，”Sermon表示。“它强调了在尝试编辑人类胚胎之前，基因编辑需要经过彻底的研究和理解的重要性。

“我认为在未来的某个时候，基因编辑可能会成为防止婴儿患有严重遗传疾病的有限情况下的有用工具。然而，这项研究展示了它可能出错的一种方式。在我们能够确信我们真正了解如何在没有任何不必要和意外惊喜的情况下成功使用它之前，还需要一些时间。这将需要严格的监管。与此同时，像这样的谨慎研究使我们离成功使用它更近了一步，它也可能有助于理解如何改进生育治疗。”

编辑：王洪

排版：李丽