科研人员在显微镜下做基因编辑  中国科学院科技摄影联盟 摄

近来，基因编辑可靠吗？基因治疗安全吗？人们纷纷发问——这一困扰生命科学研究和医疗发展的大问题，因为一种新评估方法的出现，而有了新答案。

3月1日凌晨3时，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”，引来关注。这项被多位审稿人赞叹“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。他们也首次证实，近年来兴起、被认为更加安全的单碱基编辑技术，可能导致大量无法预测的脱靶，存在严重的安全风险。

看来，基因编辑这把“小剪刀”，还需继续改良。

基因治疗是造福还是危害人类，必须先问“技术安全吗” 

《科学》3月1日在线发表GOTI新型脱靶检测技术研论文

每年2月最后一天，是国际罕见病日。国内也有不少医院为罕见病患者开义诊、组织公益活动，送去温暖关爱。然而，对绝大多数“孤儿病”患者，医学界还难以送上最重要的治疗和解决方案——全球约有7000种罕见病，占人类疾病10%，其中95%尚无药可治。

基因治疗，曾在全球上亿罕见病患者生命中，投射了一线光亮。80%的罕见病被认为是单基因遗传病，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。有人甚至预测，到2022年，会有40种基因治疗新药上市。

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CRISPR核糖核酸分子的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。

2018年底， 贺建奎采用的正是CRISPR/Cas9基因编辑技术。此前，科研人员主要是针对发育成熟的体细胞进行基因编辑，而贺建奎将其应用于人类胚胎，婴儿生长发育之后，生殖细胞基因既可遗传又可能被扩散，会让人类社会面临更多伦理问题——这也是基因编辑带来的另一类安全风险。

使用CRISPR/Cas9技术，已被证明可能造成双链螺旋结构的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。”杨辉研究员这样解释两者差异。

然而，不论是CRISPR/Cas9还是各种衍生工具，还要面对基因编辑中的“脱靶”风险。

在30亿个DNA碱基中“海选”脱靶者，颠覆既往，他们找到了一个“精美”新工具

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。要治愈一种遗传病，往往需要对几万亿个细胞进行基因编辑，如果编辑不够精准，其中只要有几万个细胞出错，即可引发癌症等疾病。

“所有基因编辑技术，都是利用病毒为载体，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。

在30亿个碱基中“找错”，就好像在整个中国找出十几个通缉犯。此前，科学家们已推出过多种检测脱靶的办法，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PI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。

科学家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”。

在中国科学院院士、神经所所长蒲慕明看来，这不仅仅是发表一篇论文，而是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。

最热门的第四代单碱基基因编辑技术安全测试“大脱靶”：“目前不适合作为临床技术”

杨辉研究员（中）和他的研究团队。中国科学院科技摄影联盟拍摄

有了GOTI检测系统，他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。

两个月前，他们在专业网站上率先发表了这一研究论文的预印本。很快，多个实验室报告已重复出同样的实验结果。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。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”。

“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。”

这一脱靶检测技术已经申请专利，检测成本也并不昂贵。杨辉说，他们将进一步检测，探查基因编辑技术除了会导致异常的基因突变是否还有其他问题，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。

此前，基因编辑工具的核心技术专利都在欧美，中国科学家的研究，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。

（人民日报中央厨房·大江东工作室）