佳学基因：基因矫正技术开始解决染色体异常——CRISPR/Cas9 精准“剪除”多余染色体

染色体异常，如唐氏综合征（Down Syndrome, DS）中的 21 号染色体三体（Trisomy 21），是导致严重先天性疾病的根本原因。长期以来，这类由整条染色体数量异常引起的疾病被视为基因治疗领域中最棘手的挑战之一。然而，一项基于 CRISPR/Cas9 基因编辑技术的新策略，正为解决染色体异常带来的表型问题，开辟一条激进而有效的道路。

挑战：个体内差异与全染色体异常的复杂性

唐氏综合征的临床表型复杂，部分原因在于个体遗传背景对基因表达谱的强烈影响。研究显示，即使是比较同卵双胞胎衍生的、染色体状态不同的诱导多能干细胞（iPS 细胞），其差异表达基因（DEGs）的重叠率也较低（上调 DEGs 约 33.0%、下调 DEGs 约 30.1%）。这种低一致性表明，简单的针对少数几个基因的疗法难以奏效，因为个体差异在塑造三体 21 基因表达谱中起着关键作用。

更重要的是，研究提出了非整倍体相关表型假说：额外的染色体拷贝不仅带来其所含基因的表达变化，还会导致与染色体本身基因无关的、普遍性的非整倍体驱动的表型，例如细胞活力降低、代谢需求升高等。

面对这种系统性的、涉及整条染色体数量变化的异常，单纯的基因矫正或沉默单基因效果有限。因此，“诱导三体挽救”，通过去除额外的遗传物质来恢复正常的二倍体状态，成为了解决非整倍体相关表型问题的激进且有效的策略。

创新策略：利用等位基因特异性 CRISPR/Cas9 消除染色体

此前，尝试消除多余染色体的方法，如插入致死基因或 X 染色体失活基因（XIST），因需要进行大规模的基因组修饰，不兼容临床应用。

本研究的创新之处在于，将 CRISPR/Cas9 基因编辑的“副作用”转化为精准的治疗策略。

1. 等位基因特异性切割（AS CRISPR/Cas9）

• 目标与优势： 针对三体细胞中三条 21 号染色体中独有的、仅存在于其中一条染色体上的等位基因序列（AS位点）进行切割。这种等位基因特异性（Allele-Specific, AS）靶向的优势在于：

  • 精准打击： 在三体细胞中，仅靶向一条额外的染色体拷贝，避免了对其他正常拷贝的损伤。

  • 高效消除： 解决了常规 CRISPR/Cas9 靶向在非整倍体细胞中会同时切割三个或更多位点的问题，实现了对特定染色体的高效去除。

  • 避免单亲二体： 有助于避免产生由两条同源染色体都来自同一亲本的单亲二体现象。

2. 克服非整倍体挽救的挑战

• 机制利用： 研究发现，CRISPR/Cas9 在三体细胞中诱导的双链断裂（DSB）主要导致了整条染色体的消除，而非像在正常二倍体细胞中常见的染色体末端截断。这可能得益于三体细胞在细胞重编程（iPS 细胞诱导）过程中固有的三体偏向性染色体丢失（TCL）倾向。

• 优化效率： 为了提高染色体消除率，研究采用了 siRNA 介导的暂时性抑制 DNA 修复机制（如敲低 LIG4 和 POLQ 基因）的方法。结果显示，抑制 DNA 损伤修复能够有效地促进被切割染色体被细胞清除，而非被修复保留，将染色体消除率提升至更高的水平。

治疗潜力与可逆性

1. 表型和基因表达的恢复

通过去除额外的 21 号染色体，研究成功地将三体 21 细胞恢复为正常的二倍体状态，并观察到了可逆性的积极变化：

• 基因特征恢复： 诱导的二倍体细胞的基因表达特征得到恢复，先前与唐氏综合征相关的一些基因表达被纠正。

• 细胞表型纠正： 诱导的二倍体细胞中观察到代谢过程相关基因下调，与唐氏综合征个体的系统性高代谢现象可能相关。同时，神经系统相关基因的上调，暗示了转录特征的恢复，有望改善唐氏综合征相关的神经解剖异常和认知障碍。

2. 广泛的适用性

值得注意的是，该方法不仅在多能干细胞中有效，而且在成纤维细胞等分化的细胞类型中也取得了染色体消除。此外，该技术在分裂细胞和非分裂细胞中均实现了染色体消除，这极大地拓展了其潜在的治疗应用范围。

结语与展望

这项研究成功地为唐氏综合征等非整倍体疾病提供了一个“概念验证”：通过等位基因特异性的 CRISPR/Cas9 诱导，可以选择性地、高效地消除细胞中多余的染色体。

虽然仍需进一步的优化、安全性和更全面的基因组分析（WGS）来验证其广泛应用性和安全性，例如解决切割后残留染色体上可能引入的突变、防止非靶向等位基因的意外切割等问题。但是，这项工作为解决染色体数量异常这一根本性遗传病因奠定了基础，并预示着未来医学干预将不再局限于基因水平，而是可以提升至染色体水平的矫正，为患者带来新的希望。