CRISPR/Cas9基因编辑可用于消除整个染色体：问答

在这个问答中，杨辉讨论了他发表在《基因组生物学》上的研究，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术删除了整个染色体，这可能对未来的治疗学和我们对肿瘤发生中非整倍体的理解有启示。

为什么你一直在研究消除一个完整的性染色体？

众所周知，CRISPR/Cas9是一种有效的基因编辑工具，该方法已被广泛应用于通过靶向特异性单导RNA（sgRNAs）来编辑基因或基因组区域。我们最初计划使用CRISPR/Cas9系统来研究Y染色体基因的生物学功能。Y染色体对男性的性别分化和生育能力具有高度的特异性。然而，到目前为止，只有少数基因在靶向敲除小鼠的生物学功能方面得到了评估。因此，除了Y染色体单拷贝基因外，我们还检测了Y染色体多拷贝基因是否能被有效删除。令我们惊讶的是，我们发现多拷贝基因Ssty1、Ssty2和Rbmy1a1的缺失导致了男性胚胎的性别逆转。实验数据显示，性别逆转是由一个完整的Y染色体缺失引起的，而不是由多拷贝基因的敲除引起的。因此，一个完整的染色体，包括性染色体X和Y，以及一个常染色体，可以通过在特定染色体上的多个DNA切割而被删除，这是由一个靶向多个染色体特定位点的sgRNA或多个sgRNA的混合物诱导的，每个sgRNA靶向一个特定位点。

你的研究是如何建立在以前的研究基础上的？

随着CRISPR/Cas9的出现，科学家们试图将该技术应用于多个领域，包括基因缺失、基因插入、大片段缺失和染色体易位。然而，是否可以通过CRISPR/Cas9删除整个染色体是一个有趣的问题。先前的研究表明，靶向性染色体消除可以通过将相对定向的loxP位点插入靶向染色体，然后通过Cre介导的姐妹染色单体重组来实现，或者通过将TKNEO转基因插入一份靶向染色体，然后通过自发染色体丢失选择染色体缺失克隆的药物。这两种方法都需要两步操作，并且获得染色体缺失细胞的产率较低，因此不适合在体研究。相比之下，CRISPR/Cas9介导的靶向染色体消除为建立染色体缺失动物模型提供了一种新的途径，并为涉及额外染色体的人类非整倍体疾病提供了一种潜在的治疗策略。

这项技术的临床意义是什么？你能强调一下将来可以防止的一些具体情况吗？

非整倍体是一种与染色体的增加或缺失有关的人类遗传病，在婴儿期或儿童期导致显著的发病率和死亡率，包括唐氏综合征（额外21例）、克林费尔特综合征（额外X例）或XYY综合征。利用CRISPR/Cas9介导的靶向染色体消除技术，可以在体外培养的细胞、胚胎和更重要的组织中选择性地消除额外的染色体，为非整倍体疾病提供了一种潜在的治疗途径。然而，当两条同源X染色体中的一条被删除时，我们发现剩余的X染色体也发生了突变。我们相信，基于单核苷酸多态性，通过使用仅针对两条或三条同源染色体中一条的sgRNAs，可以避免其余一条（XXY和xy综合征）或两条染色体（Down综合征）的这些突变。非整倍体也是癌症的标志。CRISPR/Cas9介导的靶向染色体消除为研究肿瘤发生过程中的非整倍体提供了一种新的方法，并为广泛的人类肿瘤提供了一种潜在的治疗策略。

你能描述一下你是如何消除整个染色体的吗？主要的挑战是什么？

CRISPR/Cas9就像一把分子剪刀，它可以在sgRNA的引导下，在DNA序列中专门切割指定的位置。实际上，染色体是一系列非常长的DNA序列，上面有重复序列。这些重复序列以特定的间隔出现。通过设计针对这些重复序列的sgRNAs，CRISPR/Cas9可以破坏染色体上的所有重复序列。你可以想象成一条领带被割了几百次，染色体就会被破坏，超出细胞修复的极限。因此，靶向染色体在细胞分裂过程中不能参与DNA的复制过程，并将在后代中消失。

这项技术的主要挑战是如何有效地诱导多重DNA断裂。染色体缺失的效率因重复序列的不同而不同，很难预测这些重复序列是否有效。另一个挑战是如何有选择地瞄准两条或三条染色体中的一条。

像CRISPR这样的基因编辑技术的伦理含义是什么？

作为基因编辑领域的研究人员，我们都相信这项技术将在治疗上发挥重要作用。同时，我们充分理解这项技术在当今社会的伦理问题，因此我们始终支持并遵守编辑人类生殖细胞、恐怖主义、对生态安全的威胁以及国际干细胞会议专家提出的其他伦理准则，在应用该技术治疗患者之前，有许多问题需要解决，如靶向性、给药方式和非靶向性等。所有的技术都需要必要的规则来约束，因此我们将与社会各界进行沟通，以确保人和环境的安全。