可逆的基因编辑?调控表观遗传 CRISPR 诞生!

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DNA 甲基化常发生于 CG 二核苷酸密集区,这些区域被称为 CpG 岛(CpG islands)。在健康人类的基因组中,CpG 岛中的 CpG 位点通常是处于非甲基化状态,而 CpG 岛外的 CpG 位点则通常是甲基化的,这种甲基化的存在形式在细胞分裂过程中能够稳定保留,并且可以遗传,是维持高度有序的染色质结构的重要因素。另外,人类约有 30% 基因体缺乏 CpG 岛,科学家认为甲基化不会关闭这些基因体。

新颖 CRISPR 如何调控人类表观遗传?

加州大学旧金山分校的研究团队的研究成果颠覆过去的认知,他们透过 CRISPR 表观遗传编辑器“CRISPRoff”,不需要 CpG 岛,即可透过甲基化来关闭特定基因表现,且能以高特异性控制基因表现,同时保持 DNA 序列不变。相关研究结果刊登于《Cell》。

CRISPRoff 去除一般 CRISPR 的 DNA 剪切酶 Cas9 功能,但保留了单股引导 RNA(single guide RNA, sgRNA)的导航功能,来建立 DNA 甲基化和抑制性组蛋白修饰。然后,在 sgRNA 的引导下,可以将甲基群附着在链上的特定点上,来模仿自然 DNA 甲基化,随后这些甲基化基因随后被静默或被关闭。

当 CRISPRoff 使一个基因静默(gene silencing)时,该基因不仅在被处理的细胞中保持关闭状态,而且在分裂时也保留在该细胞的后代中,且长达 450 代。

由于这种方法不会改变 DNA 的序列,他们使用去除甲基的酶逆转静默效应,这种方法被他们称为 CRISPRon。

CRISPRoff 潜在临床应用

为了研究 CRISPRoff 的实际应用潜力,他们在诱导多功能干细胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)中测试了该方法。这些细胞可以根据它们接触到的分子组合在体内转变成无数种细胞类型,因此是研究特定细胞类型的发育和功能的强大模型。

他们选择了一种能使干细胞静默的基因,然后诱导它们转化为神经元。当他们在神经元中寻找相同的基因时,他们发现 90% 的细胞都保持静默,这表明即使细胞改变了细胞类型,细胞仍然保留着 CRISPRoff 系统所做的表观遗传修饰的记忆。

然后,他们还选择了编码 Tau 蛋白的基因作为标靶,该基因与阿兹海默症显著有关。然后,在神经元中测试了 CRISPRoff 后,能降低 Tau 蛋白的表现,尽管不是完全关闭其基因表现。

表观遗传编辑器为医学的未来?

CRISPRoff 看似仅需给与一次即可具有持久的治疗效果,但需要进一步的工作来实现其全部治疗潜力。因此,科学家仍须花很多心血和时间来证明 CRISPRoff 和类似技术是否确实是“医学的未来”。

延伸阅读:CRISPR VS TALEN!基因编辑效率谁胜出?

参考资料:
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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