如何通俗地理解基因编辑中的脱靶效应？它跟基因编辑的安全风险有着怎样的联系？

虎威将军

看到张锋在基因编辑峰会上谈到降低基因编辑的脱靶效应就是提高了基因编辑的安全性，应该如何给普通人解释这句话？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/38103149

队长是我

刚刚刷到这个问题，看了大家的回答都很有启发。
因为我也有带CRISPR的课，我就也给大家分享下我上课时给学生在讲解脱靶效应这里的通俗解释。
CRISPR-Cas系统，可以理解为一套精准的切割系统。其定位手段是通过一个叫向导RNA(single-guideRNA），也有叫做gRNA的来进行定位，其定位原理还是比较好理解的，就是通过碱基ATCG的互补配对。


这个sgRNA的长度一般是20个碱基，假设20个碱基完全匹配成功，那么就是精准定位，开始切割，
这就像是对密码一样，我有一个20位的密码，必须对上对方的20位的互补密码，然后才能精确制导攻击，讲道理这密码都20位了精准度应该很有保证了。


有点像警匪片里边撕钱对暗号的样子。
但事实往往不如人意。
总像在精准的导弹也有打歪的时候一样。有时候sgRNA没有20个完全匹配，比如17，或者18个能匹配，另外几个没有一样的，它还能错误的进行定位，于是就出现了打歪了的情况，官方叫法就是脱靶效应(off-target effects)。
这时候一般有2种情况，比如RNA与错误的目标序列长度相等，但是就是碱基错配了；还有一种就是长度不相等，但是DNA或者是RNA鼓起个包，就生生的给匹配上了。
以上是生物学通俗解释，以下是给上课时候听晕的同学的非生物学通俗解释。
不知道大家有没有配过钥匙。


钥匙上都有不同的齿，然后不同的锁的锁齿不同，所以不同的钥匙开不同的锁。
但不知道大家知不知道一个冷知识，钥匙在开锁的时候并不一定要完全一模一样的齿才能打开，有时候长得像或者差不多的时候也能碰巧打开。
举个例子，现在的小区都是开发商统一装的一个牌子的防盗门，如果不怕死的话，你可以拿着一户门的钥匙，去把整个小区的门都捅一次，大概率能通开别人家的门锁。


这个在门锁行业，叫做互开率。我们国家的规定防盗门A、B、C三个等级；A级的互开率为≤0.03%；B级的互开率为≤0.01%；C级的互开率约为≤0.0004%。
比如你家小区有1万户的话，那就大概率能捅开一户两户的，如果防盗门的厂商技术偷懒，可能还不是一两户的问题。以前也经常出现邻居家拿错钥匙还能开门的新闻，感兴趣可以搜一搜。
CRISPR同理，虽然我们觉得20个碱基都重复的可能性很低，但保不齐就在哪里重复了。同时，有时候并不一定要20个都一样，甚至有时候还能把钥匙弄弯一点往里捅，大家想以人类为例，30亿bp呢，指不定就捅开那段了。
以上是非生物学的快速理解版本。
那么如果有同学还对这个话题感兴趣，我推荐一篇文献。
GUO Quan-Juan, HAN Qiu-Ju, ZHANG Jian. Off-target Effect of CRISPR/Cas9 and Optimization. Progress in Biochemistry and Biophysics, 2018, 45(8): 798-807.
CRISPR/Cas9技术的脱靶效应及优化策略

大力水手

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。

继续前进

谢邀
@芝士喵

嗯脱靶这个事看大家已经说了很多生动活泼的例子，不妨由我再多加一个。
为了编辑“生命天书”DNA，我们就必须要找到需要编辑的那个位置。CRIPSR用一段序列做向导，寻找这个位置的方法，很类似这样的情形：
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小A想读红楼梦里茗烟做羞羞的事那一段，可是不记得回目了。不过他记得“也干那警幻所训之事”一句，所以用搜索引擎一搜，就得到了结果



可是如果他只记得”警幻所训之事“呢？


搜索引擎就没有把他带到第十九回，而是带到了第六回。可以用的信息太少，报道有了偏差。
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很遗憾，由于CRIPSR机理本身的限制，它在搜索”生命天书“的时候，因为其中相似的地方比较多，所以会经常处于一种信息不足的状态，最终就会导致定位的错误，即脱靶现象。
可以这样讲，CRISPR，以及任何以短特征序列识别为基础的基因编辑技术，只有能解决脱靶问题，才能谈进入临床的可能，这也是我一直不看好CRIPSR在临床上应用的原因。
匿名用户那个炸弹的比喻很恰当，这东西本身就是个炸弹，定点爆破，炸掉我们本来要炸的东西是好事，可是一旦它被带到不该去的地方，在DNA其它的地方炸出了大窟窿，麻烦就大了。
今年诺贝尔化学奖就颁给了DNA损伤修复，可能大家在后面的几轮科普中也都知道了，DNA损伤导致严重的健康问题，细胞坏死，癌变，等等。你往那儿放个大炸弹，不停的炸——脱靶的CRISPR-Cas9导致的可都是DNA断裂这种极严重的损伤，不出问题就怪了。
所以不管是直接对胚胎进行改造，还是现在看起来与实现最近的与CAR-T相结合——张锋都技术入股Juno了，到时候老问题没解决，新问题又来了一堆，看你怎么搞。

同花顺

谢邀。
对特异性的位点进行编辑是生物学研究的一个重要的手段，对基因进行编辑的话，是通过对特异位点进行切割的，基因么特异的无非就是碱基的序列，这样子如果想对基因进行特异性的操作话就利用对特异性碱基的识别，Crispr 技术无非就是利用一段特异性的碱基序列来识别靶基因，但是因为是一段序列去识别，很容易出现在一两个碱基错配的情况下也可以进行切割，这样会对其他基因进行操作，这就是基因编辑的脱靶效应。
关于这个脱靶效应的问题，即使是在科学家的眼里不同的实验室之中，认可的程度并不一样，很多人因为脱靶的问题，极力反对Crispr的应用，但是据我们实验室的理解，其实脱靶效应是可以避免的，对科研的影响并不会太大（牵扯到一些技术上的问题，不方便透露，不要问我怎么防止脱靶）。
基因编辑最终的目的是要应用在临床上对疾病进行治疗的，但是基因编辑目前的方法存在着拖靶的问题，科研上是可以采取 方法避免影响，但是在人身上的话就不可以了， 会有很大风险，所以目前 大家疯狂的在改进Crispr.
关于对人进行改造，不会有人如此的疯狂的，按照现在的思路的话，大家只会利用ips去进行编辑，去进行治疗，这样可以避免一些伦理上的问题。

感恩由您

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。