Nature发现一种未知的DNA修复新机制：首次详细比较人类胚胎对两种不同类型DNA损伤的反应

尽管DNA修复是人类胚胎正常发育所必需的基本过程之一，但人们对它在发育早期阶段的运作机制知之甚少。这项新研究首次详细比较了人类胚胎对两种不同类型DNA损伤的反应。“研究表明，早期人类胚胎能够有效地修复单链DNA损伤，而在此发育阶段，双链断裂的修复则明显不可靠，”该研究的第一作者Štěpán Jeřábek说道。 为了详细研究这些修复机制，研究人员使用两种不同的基因编辑工具，对两个研究较为深入的基因进行了靶向改造。他们利用 CRISPR-Cas9 技术在胚胎 DNA 中引入了双链断裂，而碱基编辑则只产生了单链切口。随后，他们分析了胚胎的 DNA 修复机制如何应对每种类型的 DNA 损伤。

来自布拉格细胞生物学研究所 (IOCB Prague) 的 Michal Doležal 和 Iva Pichová为本研究中使用的蛋白质编辑器的纯化做出了贡献，这些编辑器能够引入精确定义的单链 DNA 改变。“这项研究的合作早在 2021 年就开始了，在接下来的几年里，我们为哥伦比亚大学的同事们开展的实验准备了多种编辑器变体。其中一些最终被用于本研究。我们发现，将编辑器以蛋白质而非 mRNA 的形式直接递送到胚胎细胞中，与正常的胚胎发育相容” 。 

人类胚胎难以精确编辑 

这项研究发现，新型前沿技术能够准确地对人类胚胎中的基因进行编辑，为科学家理解正常人类发育提供了不可或缺的工具，但同时也揭示了当前尚无法在临床中应用这些技术的重要风险。对基因组进行编辑是科学家探索基因组机制的关键技术。在人类胚胎中编辑基因，使我们得以了解人类发育的最早阶段。早期的人类胚胎在生长过程中会积累大量DNA损伤，而大多数通过体外受精（IVF）培育的人类胚胎在最初几天就会停止发育。

这项发表于9月9日《自然》杂志的研究中，团队利用一种比以往技术更为精细的基因编辑方法——碱基编辑，对单个细胞的人类胚胎DNA中的单个碱基进行修改。随后，他们跟踪监测了每个胚胎在6至7天内的发育过程（这是体外受精胚胎可移植的阶段），以判断编辑是否正确完成，并是否传递到胚胎的所有细胞中。令人惊讶的是，在某些实验中，编辑成功率达到100%，胚胎发育也明显正常。

然而，这种编辑有时会导致不可预测的变化，因此在临床应用中并不安全。对人类胚胎进行编辑可能为携带致病突变的人提供通过体外受精生育健康孩子的机会。“但根据我们的研究结果，目前尚无法实现安全操作，”Dieter Egli表示。作为一名科学家，首要目标是发现新的知识，我们希望这些知识能带来帮助人类的新途径。但识别风险同样重要，因为这为这项强大技术的合理使用划定了界限。我认为我们的研究将有助于防止这些技术在临床中被不当使用，因为我们清楚地揭示了其中的风险。

大约十年前，Egli的实验室首次尝试使用CRISPR技术——当时还是一项相对较新的方法——对人类早期胚胎中的基因进行编辑。CRISPR的作用类似于一把剪刀，能够切割细胞DNA的两条链，从而插入新的序列。在切割后，CRISPR依赖细胞将断裂的两端重新粘合。Egli曾怀疑CRISPR能否奏效，因为他的团队发现，人类胚胎通常会修复双链DNA断裂时出现混乱。

不出所料，当他的团队尝试用CRISPR编辑人类胚胎时，大多失败了，随着发育进程，导致大量染色体被删除，甚至整个染色体被切除。

碱基编辑效果更好，但仍可能造成意外损伤

近年来，科学家们开发出新一代基因编辑工具，对DNA的损伤更小。这些新型碱基编辑器更像是带橡皮擦的铅笔，能从DNA单链中移除一个碱基，并将其替换为另一个碱基。

在这项新研究中，Egli在哥伦比亚大学的团队与国际合作团队共同尝试使用碱基编辑技术，修复三个基因中的单个碱基突变。其中一种名为PCSK9的基因与高胆固醇和心血管疾病有关。另外两个基因HBG1和HBG2参与血红蛋白的生成，当它们发生突变时，可能引发镰状细胞贫血和β-地中海贫血等血液疾病。在受精卵首次细胞分裂前进行的碱基编辑实验中，成功修改了基因组，且这些改变在所有产生的胚胎子细胞中均得以保留。

然而，研究人员发现，碱基编辑还以难以预测的方式引发了其他多种变化。虽然染色体大片缺失的发生频率远低于CRISPR技术，但仍然出现。Egli表示：“这向我们揭示了碱基编辑所导致的DNA损伤类型如何被细胞修复或未能修复。”

此外，在胚胎发育过程中，碱基编辑还在基因组的其他一些位置进行了修改，包括目标位点附近区域，从而产生具有基因变异镶嵌样特征的胚胎。当镶嵌现象自然发生时，对胚胎的影响各不相同。“镶嵌会带来多种可能性，使得结果无法预测，因此也限制了其在临床中的有效应用。”Egli指出。此外，当某些碱基编辑器的mRNA在胚胎中含量过高时，胚胎便无法发育，这表明存在另一项重要风险，必须充分理解并避免，才能实现基因编辑。

基因编辑应用  

Egli仍认为，对人类胚胎进行基因编辑具有长期潜力，有助于帮助那些无法生育健康孩子的患者。“在胚胎阶段就编辑致病基因，远比等到突变已在数十亿个细胞中扩散、疾病已显现时再进行基因编辑要高效得多，”他说。阻碍碱基编辑临床应用的问题并不容易解决。“从本质上讲，要编辑一个基因，首先必须破坏DNA，”这种导致损伤的固有特性，也正是其带来的风险所在。“当已有无此风险的技术可用于预防疾病时，基因编辑就不再是首选方法，”Egli补充道。在实验室中，这些新技术将帮助科学家理解驱动人类发育早期阶段的生物学机制。

Egli实验室将利用碱基编辑技术，进一步研究DNA在胚胎发育过程中受损的影响，这可能为体外受精（IVF）患者减少遗传异常和胚胎损失的风险提供新的方法。另一支研究团队已发表成果，利用碱基编辑技术发现了一种名为Nanog的蛋白质，在人类胚胎发育中起着关键作用。

“我们对早期发育阶段的基因组不稳定性如何影响成年后的健康，目前了解甚少。新的突变可能自行产生，DNA因自发损伤而被修复，这一点非常重要，需要深入理解。将编辑工具应用于人类胚胎，很可能帮助我们从多个方面更好地理解健康与疾病。”Egli表示。

除了为DNA修复提供新的见解外，这项研究还强调了当前基因组编辑技术的局限性以及持续研究的必要性。“我们的目标并非开发一种对人类胚胎进行基因改造的方法，而是通过基础研究更好地了解DNA修复机制在人类发育早期阶段的运作方式。尽管碱基编辑在DNA修复的精确性方面比CRISPR-Cas9有了显著的改进，但我们的研究结果也表明，在考虑将这些方法应用于人类胚胎的临床治疗之前，还有许多关于安全性的重要问题需要解答， ”Jeřábek说道。

 “我认为围绕此类研究的伦理辩论既合理又必要。基础研究的目的是拓展知识的边界，同时帮助我们更好地理解现有技术的可能性和局限性。正因如此，这项研究对科学界和公众的讨论都做出了重要贡献。”

参考文献：Highly efficient base editing at PCSK9 and normal human embryo development