Nature子刊：用CRISPR操控表观基因组

　　

生物通报道  杜克大学的研究人员开发出了一种新方法，可以精确地控制基因开启及激活的时间。借助这一新技术研究人员可通过化学操控包装DNA的蛋白，来开启特异的基因启动子和增强子——控制基因活性的基因组片段。

研究人员说，拥有操控表观基因组的能力将有助于他们探究特殊启动子和增强子在细胞命运或遗传病风险中所起的作用，并可能为基因治疗及引导干细胞分化提供一条新途径。

这项研究在线发表在4月6日的《自然生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上。

杜克大学生物医学工程学助理教授Charles Gersbach说：“除了实际的遗传序列，基因组的一切都与表观基因组联系在一起。在健康和疾病状况下，表观基因组和我们的DNA发挥同样重要的作用，决定了细胞的功能。你想想我们有200多种细胞类型，每个细胞类型中的DNA几乎都是一样的，那么这一点就显而易见了。表观基因组决定了每个细胞激活哪些基因以及基因激活的程度。”

这样的遗传控制子是由组蛋白和一系列组蛋白或是DNA的化学修饰所构成——帮助决定了基因是否开启或关闭。

而Gersbach研究小组并没有通过改变基因自身来实现控制。

Gersbach说：“紧挨着每个基因都有一段称作为启动子的DNA序列，它控制了基因的活性。也有许多称作为增强子的其他基因组片段根本不靠近基因，但它们也同样发挥至关重要的作用，影响了基因的活性。”

在过去的十年里，杜克大学生物统计学和生物信息学助理教授Timothy Reddy将大部分的时间都投入到了绘制整个人类基因组数百万这样的增强子的图谱上。然而一直没有一种很好的方法来确定每一个增强子的确切功能。一个增强子或许可以影响靠近的某个基因或是整个基因组的几个基因——或是根本不影响任何基因。

为了激活这些增强子并了解它们的功能，Reddy想或许他可以采用化学方法改变增强子处的组蛋白来开启它们。

Reddy说：“尽管已经发现了一些可以影响整个基因组增强子的药物，但这就像‘焦土’政策。我想开发一些工具能够在特定的位点插入及改变非常特异的表观遗传标记，从而阐明每个增强子的功能。”

通过与杜克大学基因组和计算机生物学中心的Gersbach合作，Reddy找到了这种特异性。Gersbach专门研究称作为CRISPR的基因靶向系统。最初是作为细菌的一种天然抗病毒系统被发现，在过去的几年里研究人员劫持了这一CRISPR系统，现在它被应用来切割和粘贴人类基因组中的DNA序列（延伸阅读：清华大学Cell子刊发表CRISPR研究重要成果 ）。

为了实现这一表观基因组编辑应用，Gersbach沉默了CRISPR的DNA切割机制，仅利用它作为靶向系统传送一种乙酰转移酶到特异启动子和增强子处。

“这就像我们使用CRISPR找到了一处遗传地址，因此我们可以在特异位点改变DNA的包装，”Reddy说。

Gersbach和Reddy通过靶向少数几个充分研究的基因启动子和增强子，对他们的一些人工表观遗传药物进行了测试。尽管很早以前这些组蛋白修饰就与基因活性联系在一起，然而人们并不清楚它们是否足以开启基因。虽然过去Gersbach和Reddy曾使用其他的技术激活了基因增强子，但却未能成功激活增强子。

让二人感到极为惊喜的是，药物不仅激活了一些基因启动子，相比于以往的方法还更好地开启了邻近的基因。同样令人惊讶的是，它也对增强子起作用：通过靶向基因组遥远位点的一些增强子他们可以开启一个基因或甚至是一些基因家族——这是他们从前的基因活化剂无法做到的事情。

而他们的研究结果真正令人兴奋之处在于，获得了一种新能力可以前所未有的方式探索数百万的潜在增强子。

研究的第一作者、Gersbach实验室博士后研究人员Isaac Hilton说：“一些遗传疾病是简单明了的——如果一个特定基因发生突变，那么你就会罹患疾病。但像癌症、心血管疾病或神经退行性疾病等许多疾病有着更为复杂的遗传组成。基因组序列中许多不同的变异可以影响你的疾病风险，并且这样的遗传变异可能发生在Tim发现的这些增强子中，在那里它们可以改变基因表达水平。有了这一技术，我们可以探究它们的确切功能以及它们与疾病或药物治疗反应的相关性。”

Gersbach补充说：“你不仅可以开始解答这些问题，或许还能够将这一技术用于基因治疗来激活通常沉默的基因，或是控制干细胞变为不同细胞类型的途经。这是未来我们将追寻的所有方向。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

"Epigenome editing by a CRISPR-Cas9-based acetyltransferase activates genes from promoters and enhancers," Isaac B Hilton, Anthony M D'Ippolito, Christopher M Vockley, Pratiksha I. Thakore, Gregory E Crawford, Timothy E Reddy, Charles A Gersbach. Nature Biotechnology, April 6, 2015. DOI: 10.1038/nbt.3199