Cell Stem Cell | 清華大學李寅青/張學工/朱明發現CRISPR基因編輯或引發染色質廣泛擾動，影響干細胞特性

近年來，CRISPR-Cas9基因編輯技術在遺傳病治療領域展現出巨大的潛力，并已逐步進入臨床試驗。然而，目前的安全評估主要聚焦于基因編碼區的脫靶突變效應，對于占人類基因組97%以上的非編碼區域可能帶來的復雜影響，科學界的認知尚顯不足。非編碼區富含大量順式調控元件，它們通過遠距離染色質相互作用等方式，對維持細胞 identity 至關重要。這些調控元件的任何微小擾動，都可能對細胞命運產生深遠影響，因此，深入探究基因編輯在非編碼區可能引發的后果，對于保障該技術的安全應用具有重要的科學意義和臨床價值。

2026年2月24日，清華大學張學工、李寅青和朱明在《Cell Stem Cell》期刊上發表了一項題為《Minimizing far-extending chromatin perturbation in genome editing preserves stem cell identity》的研究。該研究的通訊作者包括清華大學的。研究團隊通過開發一種名為AR-seq的新技術，系統性地揭示了CRISPR基因編輯在非編碼區切割時，會在不同細胞類型中引發程度各異的染色質結構擾動，并發現這種擾動在干細胞中尤為顯著，可導致其 prematurely 分化，失去干細胞特性。

為了深入研究這一現象，研究團隊首先利用AR-seq技術對多種細胞類型進行檢測。結果顯示，CRISPR編輯后，染色質的開放性在切割位點附近發生顯著變化，且其影響范圍在不同細胞間差異巨大。例如，在HEK293T細胞中，染色質開放范圍的擴展僅約6千堿基，而在小鼠胚胎成纖維細胞NIH3T3中，這一范圍可延伸至數百千堿基。基于此，團隊構建了一個“染色質擾動范圍指數”，該指數與細胞內在的DNA修復通路偏好性密切相關。值得注意的是，具有干性的細胞，如小鼠胚胎干細胞和受精卵，其擾動范圍指數最高，意味著它們對編輯引發的染色質改變最為敏感。

隨后，研究人員在活體小鼠和體外細胞模型中驗證了這一發現。他們將CRISPR系統遞送至小鼠海馬體的神經干細胞中，在距離調控元件幾十千堿基以外的非編碼區進行切割。結果顯示，這些編輯事件足以激活靜息的神經干細胞，促使其過早地分化為神經母細胞，破壞了干細胞的正常 pool。同樣，在小鼠胚胎干細胞中，即使在距離關鍵多能性基因（如Nanog和Pou5f1）調控區1至20千堿基的位點進行編輯，也觀察到了干性標志物SSEA-1陽性細胞比例的顯著下降，細胞發生 premature 分化。進一步的檢測排除了大片段缺失或染色體重排等突變因素，表明細胞命運的轉變主要源于染色質結構的非突變性改變。

為了揭示其背后的機制，研究團隊進行了深入的分子分析。他們發現，CRISPR編輯后，DNA雙鏈斷裂處會啟動一種稱為“DNA切除”的修復過程，產生長單鏈DNA。這種單鏈DNA的形成會取代原本結合在雙鏈DNA上的關鍵結構蛋白CTCF。CTCF是維持染色質三維構象的重要因子，其被取代直接導致了染色質高級結構的破壞。同時，團隊還開發了ACC-seq技術，發現編輯同樣破壞了依賴“ condensate”形成的遠距離調控網絡。綜合這些變化，原本由三維空間鄰近的基因調控關系被重新“布線”，導致遠距離基因的表達發生紊亂，最終觸發了干細胞的命運轉變。

最后，為了減少基因編輯帶來的這些非預期影響，研究團隊評估了多種優化策略。他們發現，使用不產生DNA雙鏈斷裂的堿基編輯器，可以有效避免染色質的開放和干性的喪失。此外，通過對sgRNA的設計進行優化，使其遠離調控元件富集區域，也能降低擾動風險。更重要的是，通過藥物（如Mirin）短暫抑制DNA切除過程中的關鍵蛋白MRN復合物，可以顯著縮短單鏈DNA的延伸范圍，減輕染色質擾動，并保護干細胞 identity，同時不影響編輯效率。這些發現為未來開發更安全的基因編輯工具和策略提供了重要的理論依據和實踐方向。

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