新型可逆CRISPR方法可控制基因表达且保持基础DNA序列不变

在过去的十年中，CRISPR-Cas9基因编辑系统彻底改变了基因工程，使科学家能够对生物体的DNA进行有针对性的改变。尽管该系统可能潜在地用于治疗多种疾病，但CRISPR-Cas9编辑涉及切割DNA链，从而导致细胞遗传物质的永久改变。

现在，在4月9日在线发表在Cell上的一篇论文中，研究人员描述了一种称为CRISPRoff的新基因编辑技术，该技术使研究人员可以在不改变DNA序列的情况下，以高特异性控制基因表达。该方法由怀特海德研究所成员乔纳森·韦斯曼，加利福尼亚大学旧金山分校助理教授卢克·吉尔伯特，韦斯曼实验室的博士后詹姆斯·努涅兹和合作者设计，该方法足够稳定，可以通过数百个细胞分裂进行继承，并且是完全可逆的。

韦斯曼说：“这里最重要的是，我们现在有了一个可以沉默绝大多数基因的简单工具，”韦斯曼说，他也是麻省理工学院的生物学教授，也是霍华德·休斯医学研究所的研究员。“我们可以同时对多个基因进行此操作，而不会造成任何DNA损伤，而且具有很高的同质性，并且可以逆转。这是控制基因表达的绝佳工具。”

该项目部分由国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency)于2017年提供的资金，用于创建可逆基因编辑器。共同资深作家吉尔伯特(Gilbert)说：“从最初的拨款开始，已经快了四年，而CRISPRoff终于按照科幻小说的方式工作了。” “看到它在实践中如此出色，真是令人兴奋。”

基因工程2.0

经典的CRISPR-Cas9系统使用一种在细菌免疫系统中发现的称为Cas9的DNA切割蛋白。该系统可以针对特定基因在人细胞中使用单个导RNA，其中所述的蛋白质Cas9创建在DNA链微小断裂。然后，该单元的现有维修工具修补了孔。

由于这些方法会改变基本的DNA序列，因此它们是永久性的。另外，它们依赖于“内部”细胞修复机制，这意味着很难将结果限制为单个所需的改变。Weissman说：“与CRISPR-Cas9一样美丽，它可以修复复杂且多方面的自然细胞过程。” “很难控制结果。”

研究人员在那里找到了另一种基因编辑器的机会，它不会改变DNA序列本身，而是改变了它们在细胞中读取的方式。

这种修饰就是科学家所说的“表观遗传学”-基因可能会基于DNA链的化学变化而沉默或激活。细胞表观遗传学的问题是造成许多人类疾病(例如脆弱X综合征和各种癌症)的原因，并且可以世代相传。

表观遗传基因沉默通常通过甲基化起作用-将化学标签添加到DNA链的某些位置-导致DNA变得无法进入RNA聚合酶，该酶将DNA序列中的遗传信息读入信使RNA转录本，最终可以成为蛋白质的蓝图。

Weissman和合作者以前曾创建过另外两个表观遗传编辑器，称为CRISPRi和CRISPRa，但两者都带有警告。为了使它们在细胞中发挥作用，细胞必须不断表达人造蛋白质以维持变化。

吉尔伯特说：“借助这项新的CRISPRoff技术，您可以[简短地表达一种蛋白质]编写一个程序，该程序可以被细胞无限地记住并执行。” “它改变了游戏规则，所以现在您基本上是在写一个通过细胞分裂传递下来的改变—在某些方面，我们可以学习创建更安全，同样有效的CRISPR-Cas9 2.0版，并且可以完成所有这些工作还有其他事情。”

构建交换机

为了构建可以模仿天然DNA甲基化的表观遗传编辑器，研究人员创建了一个微型蛋白质机器，该机器在小RNA的引导下可以将甲基粘在链的特定斑点上。然后将这些甲基化的基因“沉默”或关闭，因此命名为CRISPRoff。

因为该方法不会改变DNA链的序列，所以研究人员可以使用去除甲基的酶来逆转沉默效果，他们将这种方法称为CRISPRon。

当他们在不同条件下测试CRISPRoff时，研究人员发现了新系统的一些有趣功能。一方面，他们可以将这种方法针对人类基因组中的绝大多数基因—它不仅对基因本身有效，而且对控制基因表达但不编码蛋白质的DNA其他区域也有效。第一作者努涅斯说：“即使是对我们来说，这也是巨大的震惊，因为我们认为这仅适用于基因的一个子集。”

此外，令研究人员惊讶的是，CRISPRoff甚至能够沉默没有被称为CpG岛的大甲基化区域的基因，该基因以前被认为是任何DNA甲基化机制所必需的。

吉尔伯特说：“在这项工作之前，人们曾认为30%没有CpG岛的基因不受DNA甲基化的控制。” “但是我们的工作清楚地表明，您不需要CpG岛就可以通过甲基化来关闭基因。对我来说，这是一个很大的惊喜。”

CRISPRoff在研究和治疗中

为了研究CRISPRoff在实际应用中的潜力，科学家在诱导多能干细胞中测试了该方法。这些细胞可以根据其所接触的分子的混合物在体内转化为无数种细胞，因此是研究特定细胞类型的发育和功能的强大模型。

研究人员选择了一种在干细胞中沉默的基因，然后诱导它们转变为称为神经元的神经细胞。当他们在神经元中寻找相同的基因时，他们发现该基因在90%的细胞中都保持沉默，这表明即使改变细胞类型，细胞也保留了CRISPRoff系统进行的表观遗传修饰的记忆。

他们还选择了一个基因作为CRISPRoff如何应用于治疗的一个例子：编码Tau蛋白的基因，该基因与阿尔茨海默氏病有关。在神经元中测试了该方法之后，他们能够证明使用CRISPR-off可以降低Tau的表达，尽管不是完全关闭。魏斯曼说：“我们证明这是沉默Tau并阻止该蛋白表达的可行策略。” “问题是，那么，你如何将其交付给成年人?这真的足以影响阿尔茨海默氏症吗?这些问题悬而未决，尤其是后者。”

即使CRISPR-off没有导致阿尔茨海默氏症的治疗，它也可能有许多其他条件。尽管向特定组织的递送仍然是诸如CRISPRoff之类的基因编辑技术所面临的挑战，但“我们证明您可以以DNA或RNA的形式瞬时递送，这与Moderna和BioNTech疫苗所基于的技术相同，” Weissman说。

Weissman，Gilbert和合作者也对CRISPRoff的研究潜力充满热情。魏斯曼说：“由于我们现在可以使我们想要的基因组的任何部分保持沉默，所以它是探索基因组功能的好工具。”

另外，拥有一个可靠的系统来改变细胞的表观遗传学可以帮助研究人员了解表观遗传学修饰通过细胞分裂传递的机制。努涅斯说：“我认为我们的工具确实使我们能够开始研究遗传力的机制，特别是表观遗传力，这在生物医学科学中是一个巨大的问题。”

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