可逆的基因編輯?調控表觀遺傳 CRISPR 誕生!

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DNA 甲基化常發生於 CG 二核苷酸密集區,這些區域被稱為 CpG 島(CpG islands)。在健康人類的基因組中,CpG 島中的 CpG 位點通常是處於非甲基化狀態,而 CpG 島外的 CpG 位點則通常是甲基化的,這種甲基化的存在形式在細胞分裂過程中能夠穩定保留,並且可以遺傳,是維持高度有序的染色質結構的重要因素。另外,人類約有 30% 基因體缺乏 CpG 島,科學家認為甲基化不會關閉這些基因體。

新穎 CRISPR 如何調控人類表觀遺傳?

加州大學舊金山分校的研究團隊的研究成果顛覆過去的認知,他們透過 CRISPR 表觀遺傳編輯器「CRISPRoff」,不需要 CpG 島,即可透過甲基化來關閉特定基因表現,且能以高特異性控制基因表現,同時保持 DNA 序列不變。相關研究結果刊登於《Cell》。

CRISPRoff 去除一般 CRISPR 的 DNA 剪切酶 Cas9 功能,但保留了單股引導 RNA(single guide RNA, sgRNA)的導航功能,來建立 DNA 甲基化和抑制性組蛋白修飾。然後,在 sgRNA 的引導下,可以將甲基群附著在鏈上的特定點上,來模仿自然 DNA 甲基化,隨後這些甲基化基因隨後被靜默或被關閉。

當 CRISPRoff 使一個基因靜默(gene silencing)時,該基因不僅在被處理的細胞中保持關閉狀態,而且在分裂時也保留在該細胞的後代中,且長達 450 代。

由於這種方法不會改變 DNA 的序列,他們使用去除甲基的酶逆轉靜默效應,這種方法被他們稱為 CRISPRon。

CRISPRoff 潛在臨床應用

為了研究 CRISPRoff 的實際應用潛力,他們在誘導多功能幹細胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)中測試了該方法。這些細胞可以根據它們接觸到的分子組合在體內轉變成無數種細胞類型,因此是研究特定細胞類型的發育和功能的強大模型。

他們選擇了一種能使幹細胞靜默的基因,然後誘導它們轉化為神經元。當他們在神經元中尋找相同的基因時,他們發現 90% 的細胞都保持靜默,這表明即使細胞改變了細胞類型,細胞仍然保留著 CRISPRoff 系統所做的表觀遺傳修飾的記憶。

然後,他們還選擇了編碼 Tau 蛋白的基因作為標靶,該基因與阿茲海默症顯著有關。然後,在神經元中測試了 CRISPRoff 後,能降低 Tau 蛋白的表現,儘管不是完全關閉其基因表現。

表觀遺傳編輯器為醫學的未來?

CRISPRoff 看似僅需給與一次即可具有持久的治療效果,但需要進一步的工作來實現其全部治療潛力。因此,科學家仍須花很多心血和時間來證明 CRISPRoff 和類似技術是否確實是「醫學的未來」。

延伸閱讀:CRISPR VS TALEN!基因編輯效率誰勝出?

參考資料:
1. Zhongguo Fei Ai Za Zhi. 2010 Nov 20; 13(11): 1074–1078.
2. Cell, 2021; DOI: 10.1016/j.cell.2021.03.025
3. https://www.ucsf.edu/news/2021/04/420306/new-crispr-technology-offers-unrivaled-control-epigenetic-inheritance

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