腺嘌呤碱基编辑器引发脱靶结构变异的机制与安全性评估
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近日,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心孙怡迪研究组、周昌阳研究组联合深圳农业基因组研究所左二伟研究组及其他科研团队,在国际权威期刊 《Genome Biology》 上发表了一项重要研究论文,题为《Adenine base editors induce off-target structure variations in mouse embryos and primary human T cells》。研究揭示了腺嘌呤碱基编辑器(ABE)在小鼠胚胎和原代人T细胞中引发脱靶结构变异的现象,为基因编辑技术的安全性提供了关键数据,并对其未来临床应用提出了警示和建议。
脱靶结构变异的发现与评估
研究团队通过全基因组测序(WGS)和单细胞RNA测序(scRNA-seq)等前沿技术,开发了一种基于贝叶斯模型的高灵敏度脱靶检测方法,全面评估了ABE、CRISPR-Cas9以及胞嘧啶碱基编辑器(CBE)的脱靶效应。结果表明,ABE和CRISPR-Cas9在小鼠胚胎中均显著引发脱靶结构变异,如染色体缺失和易位等,其中ABE的脱靶结构变异与其脱氨酶活性密切相关,而非单链向导RNA(sgRNA)的依赖性。相比之下,CBE引发的结构变异较少。
在人类T细胞实验中,ABE编辑的T细胞中有 9.17% 的细胞出现染色体异常,而CRISPR-Cas9的比例更高,达到 32.74%。值得注意的是,这些异常细胞在编辑后的三周内仍然存在,表明染色体异常可能具有长期的影响和潜在的安全风险。
高保真ABE工具的优化与改进
研究进一步测试了高保真版本ABE(ABE8e-V106W),发现其脱靶效应显著降低,但未完全消除。这表明,即便是通过改良酶结构或优化工具性能,也难以完全规避ABE引发的脱靶问题。
实验结果还显示,ABE诱导的脱靶结构变异具有独特的特性,与CRISPR-Cas9引发的基因编辑脱靶效应有显著差异。例如,CRISPR-Cas9引发的染色体异常细胞中,p53和凋亡相关通路显著上调,可能导致细胞凋亡。而ABE引发的染色体异常细胞中,细胞周期相关基因显著上调,细胞停滞在G0期,这可能对细胞增殖和功能产生负面影响。
临床安全性评估的重要性
研究团队指出,这一发现对于基因编辑技术的临床应用具有重要意义。ABE引发的脱靶结构变异,特别是染色体异常的长期存续,可能会对治疗性基因编辑带来不可忽视的安全风险。因此,在未来的基因编辑技术开发与应用中,需要特别关注脱靶结构变异的评估与控制,确保工具的精准性和安全性。
研究团队强调,开发更高保真的基因编辑工具,是降低脱靶效应的关键所在。同时,还需要通过优化脱靶检测技术和更深入的功能性研究,为基因编辑技术的安全评估提供科学依据。
总结
本研究首次系统揭示了ABE和CRISPR-Cas9在小鼠胚胎与人类T细胞中引发的脱靶结构变异,为基因编辑技术的安全性评估提供了重要的科学依据。研究团队呼吁,在基因编辑技术广泛应用于临床治疗之前,需充分认识其潜在的脱靶效应与长期影响,并通过优化工具性能和开发新型编辑技术,降低这些风险,推动基因编辑技术更安全、更高效地服务于人类健康。
论文的完成离不开多方协作与贡献。 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心吴垒磊博士、益杰立科生物科技有限公司姜书谭博士和史梅松博士为该论文的共同第一作者;孙怡迪研究员、周昌阳研究员和左二伟研究员为论文的共同通讯作者。此研究不仅是对基因编辑技术潜在安全问题的深入探讨,也为进一步开发更安全的基因编辑工具提供了新思路和方向。
2024-11-16
2024-11-16
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