中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员赖良学和王可品团队研究发现，Cas9蛋白本身在猪体内持续性表达会导致体内基因组损伤、转录组稳态改变和全基因组突变增加，从而引发安全风险。相关成果近日发表于《信号转导与靶向治疗》（Signal Transduction and Targeted Therapy）。
猪体内单独表达Cas9蛋白引发的安全性风险示意图。研究团队供图
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CRISPR/Cas9系统（原核生物的一种天然免疫系统）由Cas9蛋白和单链导向RNA组成，因其强大的基因组改造能力而备受关注。CRISPR/Cas9系统已被广泛应用于基因功能研究、人类疾病模型构建、作物和家畜生产性能改良等。此外，CRISPR/Cas9介导的基因治疗已被应用于治疗各种遗传性疾病或其他难治性疾病的临床试验中。目前，对Cas9蛋白本身导致的安全性风险的评估仅限于体外细胞实验研究，而对于在体基因治疗，亟需在体评估Cas9蛋白导致的安全性风险。
猪在器官大小、解剖结构、生理代谢、免疫系统等方面与人非常相似，被认为是评估基因治疗有效性和安全性的理想大动物模型。前期，赖良学课题组培育出了小分子药物灵活调控基因剪刀蛋白Cas9表达的工具猪。利用该工具猪，小分子药物可灵活调控Cas9蛋白在猪体内的表达时间和表达剂量，极大方便了在大动物体内评估Cas9蛋白单独表达导致的安全性风险。
研究人员首先证实，Cas9蛋白在猪体内单独表达会导致体内细胞DNA双链断裂，引起基因组损伤，并且这种损伤程度与Cas9蛋白的表达时间和表达剂量呈正相关。接着，研究人员进一步证实，Cas9蛋白短期（2周）持续体内表达还可导致多器官转录组稳态改变，包括凋亡、细胞周期阻滞、DNA损伤修复等相关信号通路基因的激活。
更为重要的是，随着Cas9在猪体内长期表达（5个月到12个月），模型猪出现了生长迟缓和消化功能障碍等异常表型，全基因组测序分析显示，长期表达Cas9蛋白的猪体内基因组突变数量显著增加，并且肿瘤驱动基因突变数量同样高于对照组，表明Cas9蛋白的长期表达不仅影响个体生长发育，还可能增加肿瘤发生的风险。
该研究在大动物体内系统发现了Cas9蛋白的上述新安全风险，提示我们在应用CRISPR/Cas9基因编辑技术进行基因治疗时，还需要充分考虑来源于Cas9蛋白本身潜在的安全隐患。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41392-024-01905-1
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