CRISPR/Cas9 為遺傳病治療帶來革命性突破，當(dāng)前其安全性研究多聚焦脫靶引發(fā)的序列改變，往往忽視了對細(xì)胞表觀基因組及功能的影響。

2026年2月24日，清華大學(xué)李寅青、張學(xué)工團(tuán)隊(duì)在Cell Stem Cell發(fā)表了文章Minimizing far-extending chromatin perturbation in genome editing preserves stem cell identity，系統(tǒng)性揭示了 CRISPR/Cas9 基因編輯的潛在表觀遺傳風(fēng)險：即便是在遠(yuǎn)離基因調(diào)控元件的非編碼區(qū)進(jìn)行編輯，也會引發(fā)大范圍的染色質(zhì)擾動，尤其可能導(dǎo)致成體干細(xì)胞、如神經(jīng)干細(xì)胞等干性細(xì)胞丟失自身干性特性，發(fā)生提前分化。團(tuán)隊(duì)還針對性提出了安全優(yōu)化策略，為基因編輯技術(shù)的安全應(yīng)用提供參考。

超 97% 的非編碼區(qū)潛藏著基因編輯的隱形風(fēng)險

人類基因組中，編碼蛋白質(zhì)的區(qū)域僅占不到 3%，剩下超 97% 的非編碼區(qū)并非無用的DNA，而是分布著大量調(diào)控元件，它們通過復(fù)雜的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，調(diào)控基因表達(dá)，維持著細(xì)胞的獨(dú)特身份 —— 比如神經(jīng)干細(xì)胞始終保持干性、持續(xù)分化產(chǎn)生神經(jīng)細(xì)胞，就需要這些調(diào)控元件的穩(wěn)定工作。

此前的基因編輯安全研究，大多聚焦在占基因組~3%的編碼區(qū)的脫靶突變，對非編碼區(qū)的編輯影響少于深入探索。而清華團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)，非編碼區(qū)的基因編輯，即使切割位點(diǎn)遠(yuǎn)離調(diào)控元件，也可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，這種影響還會因細(xì)胞類型不同產(chǎn)生巨大差異：在已分化的細(xì)胞中，編輯引發(fā)的染色質(zhì)擾動范圍較小，僅延伸幾千堿基的距離；但在干性的細(xì)胞中，如小鼠胚胎干細(xì)胞等細(xì)胞中，擾動范圍會放大數(shù)百倍，能延伸至幾十萬堿基的距離，在基因組里引起大范圍的調(diào)控改變。

為了定量這種作用，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了PSIchrom 擾動跨度指數(shù)，能根據(jù)細(xì)胞的基因表達(dá)譜，初步預(yù)測細(xì)胞對基因編輯擾動的敏感程度。PSIchrom指數(shù)在神經(jīng)干細(xì)胞、成體干細(xì)胞中評分很高，也意味著它們是基因編輯中的敏感細(xì)胞，是值得重點(diǎn)關(guān)注的細(xì)胞群體。

編輯會讓干性細(xì)胞丟失“身份”

讓研究團(tuán)隊(duì)尤為關(guān)注的是，這種大范圍的染色質(zhì)擾動，對神經(jīng)干細(xì)胞等干性細(xì)胞的影響尤為顯著。實(shí)驗(yàn)中，研究人員在小鼠海馬體的神經(jīng)干細(xì)胞非編碼區(qū)進(jìn)行基因編輯，即便切割位點(diǎn)距離關(guān)鍵調(diào)控元件幾萬堿基的距離，仍觀察到神經(jīng)干細(xì)胞出現(xiàn)明顯的提前分化，原本的干性細(xì)胞群體顯著減少，分化出的神經(jīng)母細(xì)胞數(shù)量顯著上升。成體干細(xì)胞作為體內(nèi)組織修復(fù)、再生的起始細(xì)胞，其干性的丟失，可能會直接影響組織的正常生理功能，這也意味著在基因編輯治療中，干細(xì)胞的這類風(fēng)險值得關(guān)注。

團(tuán)隊(duì)也解析了現(xiàn)象背后的生物學(xué)機(jī)制：干性細(xì)胞與分化細(xì)胞的 DNA 修復(fù)方式存在巨大差異。分化細(xì)胞主要通過快速的cNHEJ通路修復(fù) DNA 斷裂；但神經(jīng)干細(xì)胞、成體干細(xì)胞等干性細(xì)胞，更傾向于非cNHEJ修復(fù)路徑，可能引發(fā)大規(guī)模的 DNA 末端切除，形成延伸幾十萬堿基長度的單鏈 DNA。這些單鏈 DNA 可能會破壞細(xì)胞的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)：一方面讓維持染色質(zhì)架構(gòu)的 CTCF 蛋白無法正常結(jié)合 DNA，另一方面擾亂染色質(zhì)凝聚體的遠(yuǎn)程調(diào)控作用，最終導(dǎo)致干細(xì)胞的關(guān)鍵干性基因表達(dá)失調(diào)，哪怕沒有DNA序列的變化，比如大片段的 DNA 缺失等序列改變，干細(xì)胞也可能會丟了自己的干性特征，發(fā)生提前分化，失去原本的生理功能。

圖一：基因編輯擾動基因組并導(dǎo)致干細(xì)胞干性丟失

基因編輯安全性優(yōu)化策略

基于對風(fēng)險機(jī)制的清晰解析，團(tuán)隊(duì)從編輯設(shè)計(jì)、藥物干預(yù)、工具選擇三個維度，提出了具有應(yīng)用價值的優(yōu)化策略，從源頭減少染色質(zhì)擾動，保護(hù)干細(xì)胞的特性：1. 距離感知型 sgRNA 設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì) sgRNA 時，潛在脫靶位點(diǎn)應(yīng)避開與關(guān)鍵調(diào)控元件（如超級增強(qiáng)子）在三維空間內(nèi)鄰近的位點(diǎn)。2. 小分子藥物干預(yù)：使用抑制劑（如 MRN抑制劑）適度抑制 ssDNA 切除過程，可在維持一定編輯效率的前提下，顯著縮小染色質(zhì)擾動范圍，有效維持干細(xì)胞特性。3. 優(yōu)化工具選擇：相比于 Cas9、Cas12a、引導(dǎo)編輯器，堿基編輯在相同位點(diǎn)基本不誘導(dǎo)染色質(zhì)擾動，表現(xiàn)出更高的表觀遺傳安全性。

該研究由清華醫(yī)學(xué)，IDG 麥戈文腦科學(xué)研究所、藥學(xué)院李寅青博士，自動化系張學(xué)工博士，朱明博士（現(xiàn)華東師范大學(xué)研究員）為共同通訊作者；朱明博士、袁俊松博士、孟秋辰博士、博士生余嘉偉、徐曉慶為共同第一作者。研究得到中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所郭偉翔研究員，清華大學(xué)丁勝博士、馬天驊博士、藍(lán)勛博士、頡偉博士，以及斯坦福大學(xué)叢樂博士的大力支持。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S193459092600038X

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