2021-07-04如何通俗地理解基因编辑中的脱靶效应

来源：https://www.zhihu.com/question/38103149

作者：雨花
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CRISPR-CAS在进化中不是为基因编辑而生的，而是一个敌我识别的免疫系统，它的切割不是那么精确，只要不误伤细菌自己的DNA就算完成任务了。用于基因编辑的难度，就像用青龙偃月刀做手术。

所以，在实用中，CRISPR-CAS有几个问题，第一是它对靶点的结合不精确，它的识别序列是20bp，面对整个基因组的所有类似序列来说不怎么长。碱基匹配就是个氢键生成的化学平衡，ΔH越大匹配概率越大，而识别序列的长度就限制了找到相似序列的概率下限和焓变的上限，也就限制了脱靶概率的下限。结合时的检测就不像真正的人类复制转录翻译酶系那么精确，可能会跑到本来不想要它结合的序列上面去。中国科学家编辑人类胚胎的尝试就发现了很多非特异性切割，造成了一大堆乱七八糟的突变。

第二是识别序列以后的切割操作并不精确。因为CRISPR-CAS不是哺乳动物酶系，跟人类DNA修复系统缺乏配合，所以操作以后留下的序列是非常随机的，根本无法预测会切割在哪里。根据我们实验室的测序结果来看，CRISPR-CAS处理后靶序列的缺失位置变化非常大，从21bp的巨大缺失，到根本无变化的都有，实际编辑位点左右偏移可以达到20bp，有的造成frame shift，有的只缺失1个或几个氨基酸，有的是一个或数个点突变，有的根本没变化。而因为人类基因有两个拷贝，这两个等位基因不是同时被切割的，有可能只切割一个，另一个还是原样，也有可能两个都切割了，但位点和产生的序列还各自不同。

第三是对切割位点进行精确编辑非常困难。前面已经说了CRISPR-CAS的切割位点十分混乱，而且编辑是依靠引入一段外源DNA同源修复，但它跟人类DNA修复系统缺乏配合，所以外源DNA能参与修复的可能性很小，位置很不明确，而且修复结果也差强人意。

有了这些问题，用于做实验、制造细胞系和转基因小鼠的话可以做十几个群落筛选，但用于医疗还是距离太远了

这是一个例子，来源WY Hwang et al. Heritable and Precise Zebrafish Genome Editing Using a CRISPR-Cas System. PloS one, 2013
从加亮序列就能看出编辑结果五花八门，很难控制。

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编辑于 2018-12-01

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现在才看到邀请，抱歉。其实我不是做这块的。
好吧，通俗会漏掉很多细节，我决定牺牲所有细节。

大家都知道人的遗传信息是DNA，如果DNA不正常了，可能人也会不正常。举个例子，我们以前生物都学过镰刀型细胞贫血症，镰刀型细胞贫血症是由于DNA链上一个脱氧核糖核苷酸发生了改变，导致了产生的血红蛋白中有一个位置的氨基酸由谷氨酸变成了缬氨酸，最终的结果就是血液里面红细胞形状跟正常的不一样，血细胞携氧能力下降，简单地说得了这个病，终生都需要输血，病人很痛苦。
那刚好现在出来了一个技术，叫基因编辑，简单说就是通过一个酶和一段引导序列，在DNA链上找出不正常的位点，通过剪切和同源重组来改变这个位点。回到刚才的例子，就是可以通过这个技术，把突变了的核苷酸又变回来，通过这样的方式就可以从根本上治疗这个疾病（当然这只是基因编辑很小的一个应用）。
那脱靶效应，说的是定位的问题，编辑一个基因，需要引导序列把要编辑的位置找出来，如果找错了，就是脱靶。脱靶的问题可大可小，严重的会影响其他重要基因的功能，轻微的可能会定位到没有基因的DNA位置上，可能对人没有什么影响。
除了伦理问题，脱靶效应引起的安全性问题是影响基因编辑技术应用的最重要原因，如果能把脱靶效应降低，甚至消除，就是相当于提高了这个技术的安全性。

好吧，牺牲了所有细节，还啰啰嗦嗦的。

发布于 2016-01-28