在2017年发生了很多事情,其中很多我已经忘记,但是有一件事,直到现在我都难以平复当时的心情。 
                                      

CRISPR-Cas9作为一种非常有效的基因编辑的工具目前备受瞩目,它已经彻底改变了生命科学,必将在生物技术、农业和医学领域发挥越来越重要的作用。但是它的长期或永久的遗传修饰效应仍然值得关注。特别是以腺相关病毒AAV为载体的基因治疗临床前试验和临床试验中,Cas9将在转染细胞中的长期表达,必须对基因编辑机制的长期效应进行关注。

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韩国汉城国立大学医院临床研究所、韩国汉城国立大学医学院生物医学系的金宗勋团队用针对Hif1a的以AAV为载体的来自空肠弯曲菌的Cas9同源物CjCas9注射入C57BL/6小鼠的玻璃体中,有效地抑制了小鼠视网膜病理性脉络膜新生血管形成,这是年龄相关性黄斑变性的主要病理特征之一。研究发现尽管靶基因在视网膜或视网膜色素上皮细胞中的突变频率在45%到79%之间,但组织学和视网膜电图分析显示靶向Hif1a的CjCas9在视网膜中没有引起任何明确的毒性。重要的是,在注射后14个月,用Digenome-seq测序并用Cas-OFFinder算法分析,发现在潜在脱靶位点上没有检测到指标,说明CjCas9的长期表达不会加重脱靶效应。他们的结果表明,玻璃体内注射针对Hif1a的AAV编码的CjCas9能有效地诱导和维持视网膜组织的突变超过1年,并且不影响视网膜组织的完整性或功能。腺相关病毒表达的CjCas9在临床前实验中是安全的。

那件事缘起于一篇发表于世界最顶尖生物技术期刊《自然-方法》(Nature
Methods
)上的论文,名为《CRISPR/Cas9在体编辑后妹想到的基因突变》(Unexpected
mutations after CRISPR–Cas9 editing in vivo\[1\]

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这篇论文一经发表,就在生命科学圈里掀起了一场地震,据说当天就让基因编辑领域两大泰斗张锋和詹妮弗·杜德娜的公司股价暴跌。因为它提出了一个非常可怕的观点——用CRISPR/Cas9编辑过基因的小鼠身上会出现一千多个无法预测的基因突变!

在视网膜疾病中,除了纠正突变的基因片段,Cas9还可以用于治疗性破坏致病的野生型基因,如血管内皮生长因子、缺氧诱导因子1-α和VEGF受体2「1-3」。其中Hif1a即没有高特异性阻断治疗剂也没有靶向药物,更适合CRISPR-Cas9介导的治疗方法。AAV是诱导体内基因编辑的最实用的方法,特别是脑、肝脏和眼睛等器官,而不同血清型的AAV具有不同的组织特异性取向。

那时候,CRISPR/Cas9正在朝着医疗领域大踏步前进。医疗技术最重要的是啥?安全!治不好人大不了不用,治出问题来那就出大事了。学界一直认为CRISPR/Cas9是一种极其精确且安全的基因编辑技术,能够高效可控地改变生物的基因\[2,3\]。这篇文章的横空出世,几乎要彻底葬送这个有着数万亿美元产值的朝阳产业。真是杜德娜看了会沉默,张锋看了想打人有木有。

金宗勋团队在之前的研究中,在小鼠玻璃体内注射针对Hif1a的AAV编码的CjCas9,发现小鼠视网膜上的Vegfa或Hif1a基因在6周内耗竭,有效地抑制了小鼠视网膜病理性脉络膜新生血管形成。在这个研究中,他们评估了在玻璃体腔注射靶向Hif1a的CjCas9的AAV后14个月小鼠视网膜组织的组织完整性和视网膜神经元的电学特性,发现这个病毒能有效地诱导靶部位的插入和缺失。HOUT可检测到脱靶效应。这些长期观察可能为体内编辑与多种视网膜疾病(包括年龄相关性黄斑变性AMD、Leber先天性黑蒙症和视网膜色素变性)的病理状况相关的选定靶基因提供支持。

而我们,作为这个领域的从业者,自然也在第一时间看了这篇文章。看完之后,心中唯一的感受是……

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图1。小鼠视网膜AAV-CjCas9注射后14个月组织学观察

只不过我们震惊的不是它吓死个人的结论,而是,

玻璃体腔注射PBS、AAV-CjCas9:Rosa26和AAV-CjCas9:Hif1a后14个月小鼠视网膜的代表性H&E图像。400倍镜下观察视网膜组织中凋亡细胞的数量。误差条表示SEM。玻璃体内注射PBS、AAV-CjCas9:Rosa26和AAV-CjCas9:Hif1a.GCL,神经节细胞层;内核层;内节;外核层;外节。刻度:25毫米。

这项研究实在是做得太不像话了……

在Leber先天性黑蒙症等视网膜疾病的治疗中,AAV是广泛使用的治疗基因传递平台,并已显示出长期的有效性和安全性「3」。类似地,AAV-CjCas9:Vegfa和Hif1a无论其局部效应如何,均未使受治疗小鼠的体重发生任何变化。尽管如此,人们还是担心与Cas9表达延长相关的脱靶效应增加。在金宗勋团队的研究中,在Hif1a编辑的视网膜细胞和RPE细胞中,在靶位点检测出指数,频率分别为79±2%和45±7%。初始注射后6周至14个月,Cas9编辑的视网膜中Vegfa和Hif1a靶点的indel率增加。显然,考虑到大多数视网膜细胞是终末分化的,连续的Cas9表达导致细胞中额外的双链断裂和indel诱导。尽管在靶位点的indel频率增加,但注射后14个月内没有可检测到的脱靶效应,这表明,由于CjCas9的高特异性,长期表达不会导致体内潜在的非靶位点的indel。

其实对于这个结论我们一开始就是拒绝的,毕竟2017年已经是CRISPR/Cas9开始大规模应用的第五个年头,同时也是我读研的第五个年头了(哭),全世界已经有成千上万的实验室做了成千上万的研究了,这得多心大才能集体疏忽这么多基因突变啊。

  1. Kim, E., Koo, T., Park, S.W., Kim, D., Kim, K., Cho, H.Y., Song,
    D.W., Lee, K.J., Jung, M.H., Kim, S., et al. . In vivo genome editing
    with a small Cas9 orthologue derived from Campylobacter jejuni. Nat.
    Commun. 8, 14500.

  2. Huang, X., Zhou, G., Wu, W., Duan, Y., Ma, G., Song, J., Xiao, R.,
    Vandenberghe, L., Zhang, F., D’Amore, P.A., and Lei, H. . Genome editing
    abrogates angiogenesis in vivo. Nat. Commun. 8, 112.

  3. Kim, K., Park, S.W., Kim, J.H., Lee, S.H., Kim, D., Koo, T., Kim,
    K.E., Kim, J.H., and Kim, J.S. . Genome surgery using Cas9
    ribonucleoproteins for the treatment of age-related macular
    degeneration. Genome Res. 27, 419–426.

  4. Yin, H., Kauffman, K.J., and Anderson, D.G. . Delivery technologies
    for genome editing. Nat. Rev. Drug Discov. 16, 387–399.

  5. Gao, X., Tao, Y., Lamas, V., Huang, M., Yeh, W.H., Pan, B., Hu,
    Y.J., Hu, J.H., Thompson, D.B., Shu, Y., et al. . Treatment of autosomal
    dominant hearing loss by in vivo delivery of genome editing agents.
    Nature 553, 217–221.

然后再看研究的内容,整个实验室的人瞬间都不好了。

Long-Term Effects of In Vivo Genome Editing in the Mouse Retina Using
Campylobacter jejuni Cas9 Expressed via Adeno-Associated Virus.

这些人干了个什么事呢?简单来说,他们用CRISPR/Cas9技术编辑了两只小鼠的基因,然后把这两只老鼠和同一个“近交系”的老鼠比对了一下基因,结果发现除了CRISPR/Cas9靶向的位点以外还有一千多处基因的差异,于是得出结论,CRISPR/Cas9会导致意料之外的基因突变。

诶?乍一看好像没啥问题嘛。问题大了,要理解问题在哪,首先要明白啥叫小鼠近交系。我们都知道,大多数情况下,你和隔壁老王基因差得比较远,而你和你父母兄弟姐妹的基因则比较接近。那么人和人的基因还能更相似一些吗?可以,比如兄弟姐妹之间近亲结婚,生下的小孩之间的基因就会更加相似。

而人类对小鼠做的事情更加夸张一些,有些小鼠家庭被连续近亲繁殖了十几代,那么这些小鼠家族的基因就会非常非常非常相似,这样的小鼠家族就叫一个“小鼠近交系”。不过,即便是近交系内部的小鼠,彼此间的基因还是有那么一点点差别的,更何况每代小鼠多多少少会出现一些新的基因突变。

而这篇论文最大的问题就是,它完全没考虑小鼠之间本来就有的基因差异,把所有凡是能找到的基因上不同的地方,通通归咎于CRISPR/Cas9导致的基因突变。

我从未想过有生之年竟然会在一本一线期刊上看到犯这种低级错误的研究。

好吧,老司机当然也有可能翻车,这种史诗级翻车现场历史上也不是没有先例。不过这次翻车实在是影响有点大。一般来说,就算期刊编辑眼瞎,但研究人员不会集体犯傻,不靠谱的研究通常都会被无视。但这次不知咋的,论文一面世就被媒体吹上了天,一般的民众可没这种鉴别能力,一看顶尖期刊都这么说了,自然会以为基因编辑没前途,于是就有了开头股票暴跌的那一幕。

眼看场面快控制不住,世界各国科研人员给《自然-方法》寄的批驳信简直堪比哈利·波特的录取通知书[4-10]。为此《自然-方法》前前后后发了好几篇编辑评论,就直接附在原文后面,反复说明这篇文章的结论有问题。

为什么要这样呢?因为按照学术界的惯例,只有一篇文章所有主要作者都同意撤稿的情况下才能被撤稿。编辑做到这份上意思很明显了,就是劝你主动撤稿嘛,大家都留个面子。然而万万没想到这次遇上了个钉子户——半年多里,Alexander
G. Bassuk等几位通讯作者就是不同意撤稿。

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然后才出现了今年3月30日的奇幻结果——《自然-方法》最终基本是单方面决定,在通讯作者全都不同意的情况下,强行撤稿了这篇论文,也算是打破了学术界的惯例。

不过这事还没完,学术界还有一个问题没满意,这么稀烂的文章,当初是怎么被《自然-方法》接收的呢?撤稿声明的大概意思就是,这篇文章当初也是有同行评议的,只是那些评议人刚好都不太懂小鼠近交系神马的啦\[11\]

好吧,我就假装信了吧。

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反正这场风波其实对我们实验室也没啥影响。

好吧,其实也有一点……

有位师兄(就是去年敲除染色体那位)当时一看到这篇论文,马上一拍大腿说,艾玛好机会啊,我立刻用非常严谨的科学方法重做一下论文的工作,然后得出否定的结论反驳它,不就白捡一篇Nature
methods
嘛。

结果工作刚铺开,文章就撤稿了。(编辑:明天)

参考文献:

  1. 必威官网,Schaefer, K. A., Wu, W. H., Colgan, D. F., Tsang, S. H., Bassuk, A.
    G., & Mahajan, V. B. (2017). Unexpected mutations after CRISPR-Cas9
    editing in vivo. Nature methods, 14(6), 547-548.
  2. Kim, D., Bae, S., Park, J., Kim, E., Kim, S., Yu, H. R., … &
    Kim, J. S. (2015). Digenome-seq: genome-wide profiling of
    CRISPR-Cas9 off-target effects in human cells. Nature
    methods, 12(3), 237.
  3. Kleinstiver, B. P., Pattanayak, V., Prew, M. S., Tsai, S. Q.,
    Nguyen, N. T., Zheng, Z., & Joung, J. K. (2016). High-fidelity
    CRISPR–Cas9 nucleases with no detectable genome-wide off-target
    effects. Nature, 529(7587), 490.
  4. Kim, S. T., Park, J., Kim, D., Kim, K., Bae, S., Schlesner, M., &
    Kim, J. S. (2018). Response to “Unexpected mutations after
    CRISPR–Cas9 editing in vivo”. Nature methods.
  5. Wilson, C. J., Fennell, T., Bothmer, A., Maeder, M. L., Reyon, D.,
    Cotta-Ramusino, C., … & Albright, C. F. (2018). Response to
    “Unexpected mutations after CRISPR–Cas9 editing in vivo”. Nature
    methods.
  6. Lareau, C., Clement, K., Hsu, J. Y., Pattanayak, V., Joung, J. K.,
    Aryee, M. J., & Pinello, L. (2017). “Unexpected mutations after
    CRISPR-Cas9 editing in vivo” are most likely pre-existing sequence
    variants and not nuclease-induced mutations. bioRxiv, 159707.
  7. Schaefer, K. A., Wu, W. H., Colgan, D. F., Tsang, S. H., Bassuk, A.
    G., & Mahajan, V. B. (2017). Response to Editas: Unexpected
    mutations after CRISPR-Cas9 editing in vivo. bioRxiv, 154450.
  8. Caleb A Lareau, Kendell Clement, Jonathan Y Hsu, Vikram Pattanayak,
    J Keith Joung, Martin J Aryee & Luca Pinello. (2018). Response to
    “Unexpected mutations after CRISPR–Cas9 editing in vivo”. Nature
    methods.
  9. Reynald M Lescarbeau, Bradley Murray, Thomas M Barnes & Nessan
    Bermingham. (2018). Response to “Unexpected mutations after
    CRISPR–Cas9 editing in vivo”. Nature methods.
  10. Lauryl M J Nutter, Jason D Heaney, K C Kent Lloyd, Stephen A Murray,
    John R Seavitt, William C Skarnes, Lydia Teboul, Steve D M Brown &
    Mark Moore. (2018). Response to “Unexpected mutations after
    CRISPR–Cas9 editing in vivo”. Nature methods.
  11. Retraction note: doi:10.1038/nmeth.4293

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