基因编辑安全，谁说了算？

　　基因编辑可靠吗？基因治疗安全吗？眼下还没有人能够给出确定的答案。毕竟这一前沿技术一直面临着伦理和技术的双重拷问，世界各国一直都在审慎对待。

　　撇开可能存在的大量伦理困境，就基因编辑技术本身而言，脱靶效应是基因编辑技术最大的风险来源，然而之前从来没有人能非常精确地测定脱靶效应。如今，来自中国科学院神经科学研究所（中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心）、上海脑科学与类脑研究中心的一群科学家们发明了一套精确灵敏的检测方法，从而可以客观、可靠地评估基因编辑工具的脱靶率。3月1日，国际顶尖学术期刊《科学》刊登论文，报道了中国科学家建立的新型脱靶检测技术“GOTI”，这项被多位审稿人赞叹为“精美”的新成果，将基因编辑技术脱靶检测的敏感性大大提升，为基因编辑的安全性评估带来了新突破。

　　这项颠覆以往检测手段的基因编辑脱靶检测技术，令人震惊地首次证实，被认为“特别安全、几乎不会有脱靶”的单碱基编辑技术，可能导致大量无法预测的脱靶，存在严重的安全风险。这一重大发现为近年来兴起单碱基基因编辑技术踩下了刹车——数家美国公司停下了临床应用的脚步，人们再次意识到，我们必须更加谨慎地对待基因编辑这项新技术，开发出更安全的基因编辑工具。

　　毕竟，基因编辑的潘多拉魔盒一旦打开，将会是全人类不能承受之重。

（基因编辑技术的安全性还有待于进一步检测。）

　　基因治疗是福还是祸？

　　2月最后一天，国际罕见病日。

　　全世界有超过7000种罕见病，病患人数超过3亿人，其中80%是单基因遗传病。20000多个基因里，只要有一个基因发生突变，就有可能出现先天性失明、耳聋等罕见病症状。罕见病有50%发生在儿童时期，因而其早期诊断对于迅速有效的干预至关重要。经过长期研究发现，如果利用安全、有效的基因编辑技术，对发生突变的单个碱基进行剪断、加入或替换等修正操作，可以改写基因组遗传密码中，能明确遗传性疾病的发病机制，从而推进罕见病的诊治。目前全球95%的罕见病并没有有效的治疗药物，而预计到2022年，在基因编辑技术的支撑下，全球将有超过40种基因治疗新药上市。这意味着，也许只需使用基因编辑技术，改变几个碱基，就能挽救一些孩子的生命，还他们以健康。这看上去简直太令人兴奋了。

　　从上世纪80年代科学家提出“基因治疗”理论至今，全世界仅有两三种基因编辑技术走到了临床试验阶段。将其挡在医院之外的重要原因，就是人们无法明确验证现有基因编辑技术的安全性。1999年，美国一位18岁患者在接受基因治疗后意外死亡，导致基因治疗临床研究进入十年“寒冬”。

　　直到2012年，使用cas9蛋白酶和sgRNA组合物对基因进行精确修改的新一代基因编辑工具CRISPR/Cas9被发明出来，基因编辑的技术门槛大大降低，在生命科学和医学领域激起狂喜与热潮。

　　使用CRISPR/Cas9技术，会导致双链螺旋结构的DNA发生断裂，从而可能导致染色体丢失、异位，容易发生癌症。于是，在CRISPR/Cas9技术基础上衍生出了第四代单碱基基因编辑技术BE3，成了新的热点。“如果把CRISPR比作一辆车，它到了目的地，原来的Cas9需要切断DNA，BE3则是对碱基进行修改，不会产生断裂。” 中国科学院神经科学研究所灵长类疾病模型研究组组长、研究员杨辉这样解释两者差异。 

　　看上去是不是更美好了? 

　　业界也普遍认为基于CRISPR/Cas9及其衍生工具的临床技术将为人类的健康做出巨大贡献。特别是衍生技术BE3，在之前的研究中从未发现过有明显的脱靶问题。然而每一次基因编辑操作本质上都是成千上万的基因编辑工具分子对着成千上万的细胞做了成千上万次编辑，怎么可能每次都万无一失呢？

　　人类的DNA共有超过30亿个碱基，其中1.1%是基因片段，其他虽然不参与基因编码，却也同样承载我们的生命活动信息。基因编辑产生的脱靶效应会带来大量突变，这些突变涉及了基因组的编码区和非编码区，甚至有可能会直接影响机体的生理功能，简单来说就是我们本来把它设计成编辑A基因，但它却意外搞坏了B基因。

　　本来大家都盼望着基因编辑技术可以挽救一些目前无法治愈的遗传病，现在倒好，说不定应该修复的致病基因没有搞定，却意外搞坏了某个阻止癌症的基因，那岂不是治病不成反要命？

　　“一般情况下基因编辑技术，是利用病毒为载体，将一把把‘小剪刀’运输到细胞内。如果‘小剪刀’准确到达了设定的目标区域作了修改，我们很容易知道。但那些落在其他区域的‘小剪刀’误打误撞带来了哪些差异，却很难察觉。”杨辉解释说，基因编辑中的“脱靶”，就像射偏了的箭头，可能会改变其他正常的基因，意味着对生命运行的巨大安全隐患，很难让人安心使用。 

　　检测脱靶，难在哪里？ 

　　要解决脱靶问题，首先是要确定基因编辑工具的脱靶率，从而采用更不易脱靶的工具。然而尴尬的是，因为缺少检测手段，科学家甚至根本就不知道基因编辑工具造成的脱靶问题有多严重，更别提比较几种基因编辑工具的脱靶率了。

　　做一下对照能不能解决这个问题？传统研究中，人们通常会试图将样本（比如说进行基因编辑的小鼠受精卵）分成两份，一份做基因编辑，一份不做，最后再测定两组小鼠的基因序列，除掉目标基因的变化，理论上剩下的基因差异就都有可能是基因编辑脱靶导致的。

　　然而理想很丰满，现实却很骨感。

　　首先世界上没有任何两只基因一模一样的小鼠，你永远不知道检测出来的基因差异是源自基因编辑的脱靶还是两组小鼠原本就有的个体差异。

　　第二，检测基因序列需要大量的样本，而传统上获得大量基因序列样本的方法，就是将这些DNA样本体外扩增。通俗来说就是把这些DNA样本在体外复制成千上万份，使之能满足大量基因测序所需的量。然而即便是目前人类发明的最优质的体外扩增体系也无法100%准确地扩增DNA，在扩增的过程会在DNA样本中掺入大量的突变，最终让DNA样本面目全非，这就是所谓的“扩增噪音”。

　　同样，你也无法判断你检测出来的DNA序列差异究竟来自脱靶效应的结果还是扩增噪音。

　　更糟糕的是，基因编辑脱靶本身就是极其小概率的事件。这种信号很容易淹没在个体差异与扩增噪音之中，就像你无法在倾盆大雨中辨认出某一滴水滴落的响声一样。

　　在此之前，科学家们推出的多种检测脱靶的办法并不理想，比如计算机软件预测、高通量测序检测，甚至还有体外检测，它们都有一些局限性，尤其是对单碱基突变无能为力。

　　2017年的一天，因为不同意一篇科学论文得出的“CRISPR/Cas9技术存在大范围脱靶现象”结论，中科院神经科学研究所最年轻的研究组长杨辉研究员和博士后左二伟关在实验室里讨论了一个多小时，忽然意识到，可以换一个思路：检测一个基因编辑过的细胞中所有DNA序列，并与正常细胞进行比对，获得更精准的脱靶率。

　　此后一年半时间里，如今已是中科院神经科学研究所（中科院脑科学与智能技术卓越创新中心）、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室、中国科学院灵长类神经生物学重点实验室研究员的杨辉，与中国科学院上海营养与健康研究所隶属的计算生物学研究所（中国科学院-马普学会计算生物学伙伴研究所）李亦学研究组、斯坦福大学遗传学系及中国农业科学院深圳农业基因组研究所的合作者们，一起将他们的想法落实，变成了一种在精度、广度和准确性上远超越之前的基因编辑脱靶检测手段的新型检测技术。

　　杨辉研究组与合作者们在体积远远大于正常细胞的小鼠受精卵上做实验，将刚分裂成两个细胞的小鼠受精卵分出一个细胞进行基因编辑操作，并用红色荧光蛋白进行标记；另一个保持不变。等它发育到14.5天时，利用红色标记分选出编辑过和没编辑过的细胞，分别进行全基因组测序。

　　由于实验组和对照组来自同一枚受精卵，理论上基因背景完全一致，直接比对两组细胞的基因组，其中的差异基本可以被认为是基因编辑工具造成的，而避免了单细胞体外扩增带来的噪音干扰。

　　这种“GOTI”脱靶检测方法的新设计，被《科学》的几位审稿人异口同声地称赞为“精美”。 

　　意外发现 

　　有了GOTI检测系统，科学家们迫不及待地对目前热门的几种基因编辑工具试行检测。如杨辉、左二伟等人所料，此前被报道会导致大量基因突变致癌的经典版CRISPR/Cas9技术，并没有明显的脱靶效应。这个结果，结束了之前对于CRISPR/Cas9脱靶率的各种争议。

　　被人们寄予厚望的第四代单碱基基因编辑技术BE3，在此前研究中从未发现有明显脱靶问题，在GOTI的检测下却出人意料地发现，存在非常严重的脱靶，脱靶数量是自然发生突变数量的20倍以上；而且这些脱靶随机分布，不可预测。团队分析后认为，BE3的脱靶位点有部分出现在抑癌基因上，因此其有着很大的隐患，目前不适合作为临床技术。

　　美国的一家基因编辑公司原本已有利用该技术治疗地中海贫血的医疗项目在申请临床批件。杨辉的实验结果一出，这一可能带来严重后果的基因编辑临床应用实验即刻踩下了“刹车”。

　　杨辉感慨，“在此之前，单碱基突变技术一直被认为是一种特别安全，几乎不会有脱靶的新技术，其实现在回过头来看，我们发现从基础的生物学理论上是可以推断出这些技术很可能有脱靶问题的，但是当时大家都太理所当然觉得它们很安全，用传统的方法也的确没有发现脱靶的问题以后，就没有人再去仔细分析一下这些技术是不是真的那么安全。我们认为我们的成果在一定程度上也让业界可以冷静一点，更谨慎地对待这些新技术。” 

 

（杨辉研究员在显微镜下做基因编辑。）

　　当然，检测结果的出现并不意味着对基因编辑技术判了“死刑”。很多人的遗传病是单碱基突变导致的，所以单碱基突变这个技术本身还有着巨大的价值。

　　“如果现有基因编辑技术存在无法预测的脱靶风险，暂缓投入应用，就能避免更大的问题和研发损失。我们可以重新审视，对一些技术加以改良，开发出精度更高、安全性更大的新一代基因编辑工具，建立行业的新标准。”杨辉说。

　　目前，这一脱靶检测技术已经申请专利，检测成本也并不昂贵。杨辉团队将进一步检测，探查基因编辑技术除了会导致异常的基因突变之外，是否还有其他问题，并在此基础上尝试建立一种不会脱靶、也没有其它风险的单碱基编辑技术。

　　在中国科学院院士、神经所所长蒲慕明看来，为基因编辑领域建立安全性标准，突破了技术瓶颈，对整个领域的健康发展具有重要意义——通过在全基因组范围内广谱检测，获得基因编辑的准确脱靶率，CRISPR/Cas9及其衍生工具便打开了通向临床应用的一道重要壁垒。与此同时，中国科学家的这项研究，很可能会打破国际垄断，在新一代基因编辑工具开发中，和未来的行业新标准中，留下中国人的印记。