CRISPR婴儿:世界何时准备就绪?

杰夫·卡罗尔(Jeff Carroll)结婚六个月,当时他和妻子决定不生育孩子。25岁的卡洛尔(Carroll)曾是美国陆军的一名下士,他刚刚发现自己患有导致亨廷顿病的突变,亨廷顿病是一种遗传性疾病,破坏了大脑和神经系统,总是以早逝而告终。他已经知道大约四年前他的母亲患上了这种疾病,现在他知道自己也一定会发展这种疾病。

面对50%的机会将同样严峻的命运传递给他们的孩子,这对夫妻认为孩子是不可能的。卡罗尔说:“就是那种倒闭。”

但他已开始在部队学习生物学,以期希望更多地了解这种疾病。他发现了一个称为植入前遗传学诊断或PGD的过程。通过构思体外受精(IVF)并筛选胚胎,卡洛尔和他的妻子几乎消除了传递突变的机会。他们决定试一试,并在2006年让双胞胎摆脱了Huntington突变。

现在,卡洛尔(Carroll)是贝灵汉姆(Bellingham)的西华盛顿大学(Western Washington University)的研究员,在那里他使用另一种技术可以帮助夫妻在自己的位置上生活:CRISPR基因编辑。他一直在使用功能强大的工具来调节负责亨廷顿氏病的基因在小鼠细胞中的表达。因为它是由单个基因引起的,并且具有毁灭性,所以亨廷顿有时被举为这样的例子,在这种情况下,基因编辑人类胚胎是“有争议的,因为它将引起后代继承的变化”。真的很强大。但是使用CRISPR改变人类胚胎中基因的前景仍然令卡洛尔感到担忧。他说:“这是一条大红线。”“人们知道要克服它吗?”我也是。但是我们必须对此事保持谦逊。“可能对个人健康和社会造成许多意想不到的后果。他说,要安全使用该技术,需要数十年的研究。

关于防止疾病的基因编辑的公众意见在很大程度上是积极的。但是卡洛尔的沉默在科学家中很普遍。去年有消息传出,一位中国生物物理学家利用基因组编辑来试图使儿童对艾滋病病毒更具抵抗力时,许多科学家很快就谴责了这一举动是不成熟和不负责任的。

此后,一些研究人员和科学协会呼吁暂停人类遗传基因组编辑。但英国巴斯大学的胚胎学家托尼·佩里(Tony Perry)说,这样的禁令提出了一个重要的问题。他问道:“什么时候停止?”“您需要满足哪些条件?”?/ p>

Nature询问研究人员和其他利益相关者,在遗传基因编辑成为临床工具之前,仍存在哪些障碍。尽管可能面临一些科学挑战,但大规模批准可能需要改变临床试验的运行方式,以及对该技术的广泛共识。

脱靶编辑:太多的“错误”是多少?

缅因州巴港杰克逊实验室的干细胞研究人员马丁·佩拉说,基因组编辑提出了许多艰巨的技术挑战,但是创造不必要的基因改变的幽灵可能受到了最多的关注。他补充说,然而,这一挑战也可能是最容易克服的。

编辑基因的最流行方法依赖于称为CRISPR-as9的系统。它被某些微生物用来防御病毒的机制所替代,它使用一种称为Cas9的酶来切割DNA。科学家可以提供一小段RNA,将Cas9引导至基因组中的特定位点。但是,Cas9和类似的酶也可以在其他位点切割DNA,特别是当基因组中的DNA序列与靶标相似时(参见“极ff-靶标效应”)。这种“干靶”切割可能会导致健康问题:例如抑制肿瘤生长的基因的改变可能导致癌症。

研究人员已寻求开发Cas9酶的替代品,其中一些可能不太容易出错。他们还设计了错误率较低的Cas9版本。

错误率取决于基因组中靶向的位点。而且,许多基因编辑酶仅在小鼠或在培养物中生长的人类细胞中进行了研究,而没有在人类胚胎中进行过研究。小鼠和人类细胞之间以及成熟细胞和胚胎之间的错误发生率可能会有所不同。

错误数量可能不必为零。每次细胞分裂时,都会自然发生少量DNA变化。有人说可以接受一些背景变化,特别是如果该技术被用于预防或治疗严重疾病时。

佩里说,一些研究人员已经认为CRISPR的错误率足够低。“我觉得那是一个很大的”?他说,我们确实对人类卵母细胞和胚胎的编辑特异性没有把握。

准确无误,但错误:基因编辑需要精确到什么程度?

比脱靶效应更大的问题可能是脱靶而无用的DNA变化。Cas9或类似的酶切割DNA后,由细胞来治愈伤口。但是细胞修复过程是不可预测的。

一种修复形式,称为非同源末端连接,通常会在切割位点删除一些DNA字母-如果编辑的目的是关闭突变基因的表达,则此过程可能会有用。

修复的另一种形式,称为同源性修复,允许研究人员通过提供一个在切点复制的模板来重写DNA序列。这可以用来纠正诸如囊性纤维化之类的疾病,这种疾病通常是由CFTR基因的短缺失引起的(请参见“极靶作用”)。

这两个过程都难以控制。由非同源末端连接引起的缺失可在大小上变化,从而产生不同的DNA序列。同源性修复可以更好地控制编辑过程,但是发生频率远低于许多细胞类型的缺失。牛津附近英国医学研究委员会Harwell研究所的遗传学家Andy Greenfield说,对小鼠的研究可以使CRISPR基因编辑比现在更精确和有效。鼠标垫很大,因此研究人员有很多目标可以进行正确的编辑,从而丢弃所有错误。对于人类胚胎而言,情况并非如此。

尚不清楚在人类中进行同源性定向修复的效率如何,甚至如何起作用。在2017年,一个团队在人类胚胎中使用了CRISPR'as9来纠正与心力衰竭相关的基因变异2。从未植入过胚胎,但结果表明,经过修饰的细胞使用母体基因组作为其DNA修复的模板,而不是研究人员提供的DNA模板。那可能是编辑人类胚胎中DNA的更可靠方法。但此后其他研究人员报告说,他们无法重复结果3。加利福尼亚大学伯克利分校的分子生物学家詹妮弗·道德纳说:“到这一点,我们真的不了解胚胎如何处理DNA修复。”“只是为了了解基本原理,还需要在其他种类的胚胎中完成很多工作。” / p>

研究人员正在开发解决与DNA修复相关的问题的方法。六月发表的两份报告讨论了一种CRISPR系统,该系统可以将DNA插入基因组而不会破坏两条链,从而绕过了对DNA修复机制的依赖。如果系统坚持进行进一步的测试,它们可以为研究人员提供对其编辑内容的更好控制4,5。

另一种方法是使用一种称为基本编辑的技术。基本编辑人员将禁用的Cas9与一种酶融合,该酶可以将一个DNA字母转换为另一个DNA6。禁用的Cas9将基本编辑器定向到基因组中的一个位点,在该位点中,它直接化学改变DNA,而不是通过断裂而改变。4月份发表的研究表明,其中一些基础编辑者也容易做出偏离目标的更改7,8,但仍在努力提高其保真度。

加利福尼亚州斯坦福大学的儿科血液学家Matthew Porteus说:“酶编辑目前不符合我们的标准。”“人们可以想象它越来越好。”?/ p>

想要,但很危险:哪些编辑是安全的?

即使基因组编辑变化的针对性和精确性是完美的,仍然存在关于人类种系的哪些变化可能是安全的问题。2017年,由美国国家科学,工程和医学研究院牵头的一项国际努力概述了在编辑预定用于植入的人类胚胎之前应满足的条件9。标准之一是编辑产生的DNA序列在人群中已经很普遍,并且没有已知的疾病风险。

Porteus说,仅此一项要求便会使人们无法进行遗传基因编辑。不仅很难预测编辑的确切顺序,而且很难确定变体不会增加患病的风险。

例如,称为PCSK9的基因中的某些突变与胆固醇水平降低有关,因此可降低患心脏病的风险。该基因有时被建议作为编辑候选基因。Porteus指出,但是只有少数人具有这些保护性突变。已知患有这种疾病的人很健康,但研究人员不知道还有多少其他人患有这种突变并死亡。

在人类中进行可遗传基因编辑的第一个已知尝试是努力使一种名为CCR5的基因失活,该基因产生一种免疫细胞受体,该受体可以使HIV感染人类。贺建奎(He Jiankui)推论说,破坏基因,孩子们应该对该病​​毒具有抵抗力,然后他在中国南方科技大学工作。他试图创建一个CCR5突变,这种突变在某些欧洲血统的人中自然发现,并且与HIV耐药性有关。但是本月发表的一项使用英国生物库中数据的研究发现,这种删除也可能会缩短寿命10。

一些遗传变异的影响也可能取决于环境和基因组中存在的其他变异。例如,CCR5突变在中国人群中非常罕见,引起人们的担忧,即该基因对于保护人们在亚洲更容易遇到的病毒具有重要意义。

喀麦隆雅温得大学的生物伦理学家Cletus Tandoh Andoh指出,这种混乱会给遗传基因编辑带来麻烦。他说:“大多数与疾病遗传相关的研究都是在欧洲人进行的。”他说,例如,要在非洲进行遗传基因组编辑,首先需要在非洲人群中进行广泛的基因和环境研究。

婴儿拼凑而成:研究人员如何预防镶嵌?

有时,基因不仅在人群中的个体之间不同,而且在个体的细胞之间也不同。廉价和快速的基因组测序的出现表明,这种情况,称为镶嵌病,比以前想像的更为普遍。

镶嵌可能会给基因编辑带来问题。经过微调以纠正导致亨廷顿病的基因的胚胎可能包含经过纠正和未经纠正的细胞的混合物。这将如何影响所生孩子的健康,将取决于编辑了哪些单元格,以及哪些不是“可能难以预先预测的东西”。

马萨诸塞州剑桥市怀特黑德研究所的干细胞科学家鲁道夫·杰尼施(Rudolf Jaenisch)怀疑研究人员是否能够排除胚胎中镶嵌的可能性。分析胚胎中DNA序列的方法依赖于去除少量细胞进行测试,然后破坏它们。研究人员可以测试剩余的细胞。他说:“即使您进行植入前诊断,也无法决定是否成功。” / p>

一些研究人员报告说,在非常早期的阶段2,当它们仍然只是单个细胞时,就将CRISPR'as9机制注入胚胎中。作者说,这种技术消除了马赛克现象。佩里说,但是它需要被测试更多次才能确定。

Jaenisch警告说,这么早就进行基因组编辑会产生一个新问题:无法将携带遗传病的胚胎与未携带单细胞阶段的胚胎区分开。贾尼施说,“顾名思义,渊博将操纵健康的胚胎,从而使它们面临不必要的风险”(见“马赛克主义”)。

任何程度的镶嵌主义都可以容忍吗?威斯康星州爱迪生大学的生物工程师Krishanu Saha说,这可能取决于所治疗的疾病。他说:“我们已经编辑了30%的肝脏,我们正在尝试治疗一种视网膜疾病,好吗?”“在某些情况下可能是这样。” / p>

测试时间:应如何设计临床试验?

在所有这些技术障碍仍需克服的情况下,很少有人讨论如何在临床试验中测试可遗传基因组编辑,以及在该技术迈出这一步之前需要哪些数据。剑桥大学麻省理工学院的神经科学家冯国平说,要求应该很高,因为这些变化可以传递给子孙后代。他说,“他不像是“业者”,在我的胃中会抽筋。“他是永久的。”

一些人在看英国人类受精和胚胎学管理局(HFEA)设定的例子,该组织花了14年的时间分析动物和人的数据,然后才决定有条件地允许一种叫做线粒体捐赠的技术。该技术允许女性在IVF期间使用健康供体卵中的线粒体,使具有致病性的植物细胞线粒体DNA突变。与基因编辑一样,它可以让父母避免传递危险的突变。仍然存在有关该程序安全性的问题-包括美国在内的一些国家不允许这样做。HFEA小组成员格林菲尔德说,即便如此,关于该技术的可用数据比目前用于胚胎中CRISPR'as9编辑的更多数据。(IVF从实验室测试过渡到健康怀孕花了30多年的时间。)

人体临床试验将提出许多新挑战。例如,经过基因组编辑的儿童需要多长时间才能被认为是安全的?研究人员将如何跟踪这些孩子的孩子寻找转基因效应?俄勒冈州波特兰州立大学的生物伦理学家布莱恩·克维克(Bryan Cwik)说:“这将是一团糟。”

5月22日,美国国家科学院,美国国家医学科学院和英国皇家学会宣布成立一个委员会,研究遗传基因编辑的这些方面。该小组的目标是明年发布报告。杜德纳说:“实际上,确实需要有一套更深入的标准。”“泪,我们都希望那会比过去更快。”?/ p>

最大的问题:世界已经准备好了吗?

尽管在遗传基因编辑方面存在巨大的科学障碍,但更棘手的问题很可能是伦理和社会问题。磋商一直在进行中,世界各地的科学团体都在不断涌入报告和立场声明。今年3月,世界卫生组织(WHO)召集的一个小组得出结论认为,目前对人类基因组进行遗传编辑是不负责任的。在《自然》杂志上撰文的人呼吁全球暂停执行死刑11,美国国家科学院,美国国家医学科学院和皇家学会的成员表示,“在做出任何决定之前必须取得广泛的社会共识”?

实现全球共识是一项艰巨的任务,目前,大多数磋商是在富裕的西方国家进行的。印度昌迪加尔的旁遮普大学的人类学家Kewal Krishan说,例如,印度关于遗传基因编辑的讨论很少。Andoh指出,在某些非洲文化中,生育孩子的压力非常大,而且如果不这样做,妇女可能会被社会排斥。这可以促进需求。

需求完全是另一个问题。华盛顿特区的倡导组织遗传联盟总裁兼首席执行官莎伦·特里说,目前,在受疾病影响的人们中间还没有大声喧mor。她说,随着辩论的进行以及患者倡导者意识到治疗的迫在眉睫,最初的热情随着时间的流逝而逐渐减弱。许多有遗传疾病危险的家庭告诉她,目前,他们只想要一种筛查胚胎突变的方法。但是筛查并不是万能的。它会为所有夫妇工作。

马里兰州银泉市大学残障人士中心协会执行理事安德鲁·伊帕拉托(Andrew Imparato)说,这样的决定非常个人化。例如,聋人社区的一些成员欢迎有聋人儿童的想法,并可能担心从基因组中编辑失聪突变的方法会增加家庭的压力。

公开调查通常会发现可遗传基因组编辑的支持-如果它被证明是安全的并且可用于治疗遗传疾病。英国皇家学会(Royal Society)进行的一项英国调查发现,有83%的参与者赞成编辑种系以治疗不治之症。但是许多人在编辑“增强”时划清界限?例如,有60%的人反对使用可遗传基因编辑来提高智力的想法。

许多科学家和伦理学家在修改基因组以增强运动能力或改变眼睛的颜色与治疗或预防疾病之间存在类似的区别。甚至在那时,仍存在关于哪些疾病可能需要这种方法的争论。具有最明显的遗传贡献的致命条件(例如亨廷顿病)是最常见的例子,当存在突变时,这几乎是不可避免的。但冯说,在编辑诸如PCSK9之类的基因以预防高胆固醇并可能预防心脏病时,事情肯定会变灰。最终,Porteus希望看到由专家评估并被认为值得通过遗传基因编辑进行干预的病状,就像英国现在对PGD的主张一样。

不过,有些人可能正在悄悄地朝着基因编辑的孩子的想法迈进。这个月,一位俄罗斯科学家宣布他有兴趣进行一个项目来编辑人类胚胎的基因。美国媒体公司STAT上个月末报道说,在他宣布宣布后不久,迪拜的一家生育诊所已向He寻求有关基因编辑的建议。

瑞士日内瓦大学的生物伦理学家,前世界卫生组织顾问Abha Saxena希望,即使可能无法达成全球共识的最终目标,磋商仍将继续。我们会准备好吗?萨克森纳说,这很难说。“人类一直很冒险。”?/ p>

自然570,293-296(2019)

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