PNAS：利用CRISPR成功实施人类基因组手术

　　

生物通报道  来自Baylor医学院、莱斯大学、斯坦福大学、麻省理工学院-哈佛大学Broad研究所的一个多机构研究小组报道了第一个成功的基因组手术，其改变了基因在细胞核内的折叠。这一进展有可能促成一些新方法来认识和攻克遗传疾病。

去年，Baylor医学院基因组结构中心的研究人员证实，当两米长的人类基因组在细胞核中折叠起来时，它形成了大约1万个环。这些环开启和关闭了一些基因，控制了长基因组片段的包装。这一折叠过程失常可导致疾病。研究小组还发现存在于几乎所有环两端的DNA“基序”（motif）：一段不到20个碱基的DNA链导致了DNA结合CTCF蛋白。这些基序常常存在于过去被认为是“垃圾”DNA的区域。

现在，在一项对遗传研究具有深远影响的研究中，Erez Lieberman Aiden领导的一个研究小组证实，通过操控这些基序，有可能可以在基因组中破坏、移动和构建出新的环。这项研究工作是由Aiden实验室的研究生、共同第一作者Adrian Sanborn所领导。相关论文发表在本周的《美国科学院院刊》（PNAS）上。

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Aiden说：“我们可以利用我们对自然成环机制的认识，人为地操控基因组环。这意味着至少在原则上有可能通过改造一些遗传碱基来修复基因组折叠错误，且不会破坏周围的DNA。”

就像木偶上的细绳，环常常将一些基因与控制它们的DNA元件联系起来——在基因组被视作为是一维碱基链时，这些元件的定位距离遥远。为了在不破坏周围序列的情况下改变这些构建出环的基序，研究小组利用了基于CRISPR/Cas9的基因组编辑，使得能够以一种非常靶向性的方式来改变基因组序列。如果研究小组对于基序在构建环中的作用认识是正确的，结果将不仅影响基因组的序列：它们还会改变折叠。

Rao说：“利用CRISPR使得我们能够利用一种‘分子剪’来添加或除去小部分的遗传碱基。通过确切了解我们需要靶向的碱基，我们发现有可能可以一种高度可预测的方式来改变基因组的折叠（延伸阅读：Science发表CRISPR基因组编辑重要成果 ）。”新研究还阐明了在基因组内环的形成机制，这些结果是令人惊讶。数十年来，科学家们都认为当在细胞核中摆动的一些基因组片段撞到彼此时会形成环。但作者们发现细胞是通过一个称作为挤压（extrusion）的不同过程形成了环。随着挤压过程一直持续下去，会形成越来越大的环。关键在于当它遇到CTCF位点时这一挤压过程会停止，这就是改变这些基序是控制整个过程关键的原因。

在每个实验中，研究人员改造了某些CTCF位点，由此改变了CTCF的结合模式。在他们认识到挤压驱动了基因组折叠过程后，研究小组发现了解CTCF与DNA的结合位点就足以预测出整个基因组区域将怎样折叠。改变CTCF位点使得破坏、移动及构建出新环变为可能。还有可能以可预测的方式来改变其他一些称作为结构域的折叠特征。在十多种情况下，该研究小组结合数学和高性能计算预先预测了基因组的折叠情况。在每种情况下，基因组折叠均与研究小组的预测一致。在一种情况下，添加单个碱基对就改变基因组数百万碱基折叠。

这些研究结果是朝着了解基因组折叠机制迈出的重要一步。“CTCF位点的功能就像基因组折叠的一个密码。现在我们开始破解了这一密码，我们可以认识和控制这一折叠过程，”共同通讯作者、Broad研究所所长Eric Lander博士说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

A.L. Sanborn et al., “Physical simulations of loop formation by extrusion predict results of 3D genome re-engineering experiments,” PNAS, doi:10.1073/pnas.1518552112, 2015.