脱靶基因组编辑：基因科学和医学领域的新学科

作者：Diane Catherine Wang；王向东

随着基因组编辑技术的不断发展，基因组编辑设计过程中的非特异性基因突变导致的脱靶效应形成了一门新的基因科学学科和医学学科。基因编辑和检测方法，基因改变的解析方法或对照参考的不同，使基因组编辑发生脱靶效应，从而导致不同程度的短期和长期副作用，毒性或动力学改变。对基因组编辑产生的直接或间接的动态脱靶效应的检测，是基因编辑临床应用的关键问题。基因组编辑方法的质量是导致脱靶效应产生的决定性因素之一。基因组编辑的脱靶效应的发生机制比我们想象的更加复杂多样。在单细胞水平，基因编辑细胞的脱靶效应的异质性可以在细胞簇形成发展的过程中来定义。脱靶效应除了对基因编辑细胞本身产生影响，也会使基因序列、基因结构、基因多维构造和相关调节因子功能改变，从而影响基因编辑细胞之间，基因编辑细胞和非基因编辑细胞之间，或者非基因编辑细胞之间的相互交流和作用。因而，在基因编辑临床应用前，需要对基因组编辑脱靶的控制、检测、定义、分类和预测，进行标准化和优化。

临床应用基因组编辑后，将产生一系列新的药物。随着精确编辑的增加，基因组工程细胞和胚胎细胞的移植可能是预防和治疗遗传和非遗传疾病的替代方法。只要识别和验证疾病特异性靶基因，基因组编辑似乎可以预防和治愈任何疾病。因此，将基因组编辑推向临床应用的三个最关键和限制因素包括靶基因的疾病特异性、改善严重性疾病的治疗功效、以及基因编辑程序和材料的安全性和毒性。然而，在将基因组编辑应用于患者之前，需要克服大量挑战。在这些挑战中，应该更多地关注脱靶基因组编辑，因为脱靶效应是不可动态监测、定性、量化或预期的。人们对脱靶基因组编辑的副作用和毒性知之甚少。

脱靶基因组编辑的概念应该通过分析脱靶基因及受其影响的知识和经验的快速增长来重新定义。脱靶被定义为在基因组编辑过程中导致的非特异性遗传修饰，包括意外基因的点突变，缺失、插入、倒位和易位。这些都是编辑技术本身的可测效果，而长期的生物效应则没法估计。有人质疑由设计和选择的靶基因引起的非特异性遗传修饰是否也应该算作脱靶基因组编辑，因为这些基因是预期的、经过设计的和靶向的。这种非特异性遗传修饰可能是由于疾病的复杂性，缺乏对已确定目标的系统验证，并且独特地关注生物效应而不是病理生理学特异性。例如，在HIV感染者中发现了CCR5基因和蛋白的过度表达，以及在HIV同源受体CCR5（CCR5Δ32/Δ32）中具有纯合突变或在自体CD4中基因编辑CCR5的同种异体造血干细胞移植程序。 T细胞可以减轻感染HIV的患者的HIV-1表达。

脱靶效应程度因不同的分析方法，遗传修饰的重点读数，以及编辑方法而有所不同。Veres等人通过与亲本细胞比较，发现了基于检测脱靶插入和缺失的极少量的脱靶效应。研究人员发现，基因组编辑的脱靶效应其发生的机制比预期更复杂。因此，开发脱靶效应特异性分析以定义每个基因组编辑的全基因组特异性变得更加重要。

随着测序技术的发展，我们将面临一系列单细胞测序及分析的机遇和挑战，以发现新的细胞集群及亚型、内部异质性、新的诊断标志物和治疗靶标。必须在单细胞水平上定义基因编辑细胞的脱靶效应的异质性，尤其是在细胞簇的发育和形成过程中。除基因编辑细胞本身的脱靶效应外，由脱靶效应引起的相关调节因子的基因序列、结构、维度和功能的改变也可能影响基因编辑细胞、基因之间的细胞间通讯和相互作用。

总而言之，源于基因组编辑设计过程的非特异性遗传修饰的脱靶效应，将成为基因科学和新一类医学的新学科。（转化医学网360zhyx.com）

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s10565-019-09475-7?from=timeline&isappinstalled=0