CRISPR/Cas9 为遗传病治疗带来革命性突破，当前其安全性研究多聚焦脱靶引发的序列改变，往往忽视了对细胞表观基因组及功能的影响。
2026年2月24日，清华大学李寅青、张学工团队在Cell Stem Cell发表了文章Minimizing far-extending chromatin perturbation in genome editing preserves stem cell identity，系统性揭示了 CRISPR/Cas9 基因编辑的潜在表观遗传风险：即便是在远离基因调控元件的非编码区进行编辑，也会引发大范围的染色质扰动，尤其可能导致成体干细胞、如神经干细胞等干性细胞丢失自身干性特性，发生提前分化。团队还针对性提出了安全优化策略，为基因编辑技术的安全应用提供参考。
超 97% 的非编码区潜藏着基因编辑的隐形风险
人类基因组中，编码蛋白质的区域仅占不到 3%，剩下超 97% 的非编码区并非无用的DNA，而是分布着大量调控元件，它们通过复杂的染色质三维结构，调控基因表达，维持着细胞的独特身份 —— 比如神经干细胞始终保持干性、持续分化产生神经细胞，就需要这些调控元件的稳定工作。
此前的基因编辑安全研究，大多聚焦在占基因组~3%的编码区的脱靶突变，对非编码区的编辑影响少于深入探索。而清华团队的研究发现，非编码区的基因编辑，即使切割位点远离调控元件，也可能引发连锁反应，这种影响还会因细胞类型不同产生巨大差异：在已分化的细胞中，编辑引发的染色质扰动范围较小，仅延伸几千碱基的距离；但在干性的细胞中，如小鼠胚胎干细胞等细胞中，扰动范围会放大数百倍，能延伸至几十万碱基的距离，在基因组里引起大范围的调控改变。
为了定量这种作用，研究团队构建了PSIchrom 扰动跨度指数，能根据细胞的基因表达谱，初步预测细胞对基因编辑扰动的敏感程度。PSIchrom指数在神经干细胞、成体干细胞中评分很高，也意味着它们是基因编辑中的敏感细胞，是值得重点关注的细胞群体。
编辑会让干性细胞丢失“身份”
让研究团队尤为关注的是，这种大范围的染色质扰动，对神经干细胞等干性细胞的影响尤为显著。实验中，研究人员在小鼠海马体的神经干细胞非编码区进行基因编辑，即便切割位点距离关键调控元件几万碱基的距离，仍观察到神经干细胞出现明显的提前分化，原本的干性细胞群体显著减少，分化出的神经母细胞数量显著上升。成体干细胞作为体内组织修复、再生的起始细胞，其干性的丢失，可能会直接影响组织的正常生理功能，这也意味着在基因编辑治疗中，干细胞的这类风险值得关注。
团队也解析了现象背后的生物学机制：干性细胞与分化细胞的 DNA 修复方式存在巨大差异。分化细胞主要通过快速的cNHEJ通路修复 DNA 断裂；但神经干细胞、成体干细胞等干性细胞，更倾向于非cNHEJ修复路径，可能引发大规模的 DNA 末端切除，形成延伸几十万碱基长度的单链 DNA。这些单链 DNA 可能会破坏细胞的染色质三维结构：一方面让维持染色质架构的 CTCF 蛋白无法正常结合 DNA，另一方面扰乱染色质凝聚体的远程调控作用，最终导致干细胞的关键干性基因表达失调，哪怕没有DNA序列的变化，比如大片段的 DNA 缺失等序列改变，干细胞也可能会丢了自己的干性特征，发生提前分化，失去原本的生理功能。
图一：基因编辑扰动基因组并导致干细胞干性丢失
基因编辑安全性优化策略
基于对风险机制的清晰解析，团队从编辑设计、药物干预、工具选择三个维度，提出了具有应用价值的优化策略，从源头减少染色质扰动，保护干细胞的特性：1. 距离感知型 sgRNA 设计：在设计 sgRNA 时，潜在脱靶位点应避开与关键调控元件（如超级增强子）在三维空间内邻近的位点。2. 小分子药物干预：使用抑制剂（如 MRN抑制剂）适度抑制 ssDNA 切除过程，可在维持一定编辑效率的前提下，显著缩小染色质扰动范围，有效维持干细胞特性。3. 优化工具选择：相比于 Cas9、Cas12a、引导编辑器，碱基编辑在相同位点基本不诱导染色质扰动，表现出更高的表观遗传安全性。
该研究由清华医学，IDG 麦戈文脑科学研究所、药学院李寅青博士，自动化系张学工博士，朱明博士（现华东师范大学研究员）为共同通讯作者；朱明博士、袁俊松博士、孟秋辰博士、博士生余嘉伟、徐晓庆为共同第一作者。研究得到中国科学院遗传与发育研究所郭伟翔研究员，清华大学丁胜博士、马天骅博士、蓝勋博士、颉伟博士，以及斯坦福大学丛乐博士的大力支持。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S193459092600038X
李寅青实验室欢迎访问学生、学者，开展交叉学科研究。
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