遗传学大牛再发重要突破：双功能CRISPR-Cas9

　　

生物通报道：CRISPR-Cas9是细菌在漫长的进化过程中演化出的重要防御机制。这个监控体系能够根据引导RNA（gRNA）的指示，靶标并降解入侵者的遗传物质。现在，CRISPR-Cas9已经成为了炙手可热的基因组编辑工具，帮助世界各地的研究者们解决实际问题。近年来，这一技术在多个领域中展现了自己强大的实力，催生了大量的重要成果。

日前，哈佛大学和麻省理工的研究团队开发了双重功能的CRISPR-Cas9系统，能够同时实现基因组工程和基因调控。这一重大突破发表在九月七日的Nature Methods杂志上。

CRISPR-Cas9系统最初用于特异性修改基因序列，被视为基因组工程领域的革命性工具。细菌免疫系统的天然蛋白Cas9，能像分子剪刀一样精确切割或编辑特定的DNA片段。不过最近科学家们也开始用CRISPR-Cas9系统进行基因调控，随心所欲的开/关基因。

不论是基因组工程还是基因调控，CRISPR-Cas9的第一步是相同的：引导RNA通过序列互补原则将Cas9带到基因组特定位点，使其与目的基因结合。不过到目前为止，基因组工程和基因调控需要用到不同的Cas9蛋白。基因组工程依赖Cas9的DNA剪切活性，而基因调控需要去除其剪切活性，只保留Cas9结合目标基因的能力。基因调控所用的Cas9变体通常与调控基因表达的蛋白融合在一起。

哈佛大学的George Church和麻省理工的Ron Weiss领导研究团队开发了一个新策略，成功用一种Cas9同时完成两项任务。他们使用经过改造的引导RNA和化脓性链球菌（Streptococcus pyogenes）的Cas9蛋白，在切割特定基因的同时调控其他基因的表达。这一技术大大增加了基因组编辑和基因控制的复杂性，有助于更好的研究疾病和药物的作用机理。

著名遗传学George M. Church是哈佛医学院的遗传学教授、Wyss研究所的核心成员。他被誉为是个人基因组学和合成生物学的先锋。1984年，Church和Walter Gilbert发表了首个直接基因组测序方法，该文章中的一些策略现在仍应用在二代测序技术中。此外，如今的多重化分子技术和条码式标签也是他发明的，Church还是纳米孔测序技术的发明者之一。

研究显示，引导RNA的长度起到了关键性作用，能够决定Cas9结合DNA之后是否进行切割。这一发现正是这项研究的关键所在。“过度截短引导RNA会使Cas9不能切割其基因组靶点，我们全面分析了这其中的原因，”博士后Alejandro Chavez说，他和Samira Kiani是这篇文章的共同第一作者。

研究人员在人类细胞中证实，过短的引导RNA的确让Cas9无法切割靶基因。然而出人意料的是，截短引导RNA并不影响Cas9与靶基因的结合。人们可以在此基础上，用Cas9把基因调控蛋白送到特定的基因上。

“我们可以根据引导RNA的这种原则，用一种蛋白获得对基因序列和基因表达的直接控制，几乎所有DNA都能转变为调控序列，帮助我们进一步操纵细胞。这一技术将为我们揭示重要过程背后的复杂互作（比如癌症耐药性和干细胞分化），或者帮我们设计更高级的人工基因回路，”Church说。

“双功能CRISPR-Cas9可以提升我们的能力，破解致病基因之间的复杂关系，”文章的一位共同作者，Marcelle Tuttle说。这一技术也可以用于工业领域，促进基因工程菌株（E. coli等）大规模生产化合物和燃料，同时保护这些菌株不被其他病原体感染。

“使用Cas9这种革命性工具，我们将征服新的生物医学和工业领域。这项研究显著提高了CRISPR-Cas9的控制水平，进一步拓展了这一系统的应用范围，”Wyss研究所的Donald Ingber博士说。

Church和哈佛大学Wyss研究所的同事前不久还在Nature Methods杂志上发表过另一个革命性的CRISPR-Cas9技术。过去的基因表达研究只能一次研究一个基因，Church等人将Cas9与延长了三倍的转录因子融合起来，使其能够强力控制单个或多个基因，决定遗传学性状是否表达及其表达程度。据介绍，该技术可以揭示一连串基因回路对生物过程的影响（比如组织发育或疾病发生），也可以精确指导干细胞分化，生成再生医学所需的移植器官。研究人员已经在体外培养的酵母、果蝇、小鼠和人类细胞中证实了这一技术操纵基因表达的能力。（延伸阅读：著名遗传学家获重要突破：Cas9随心所欲地激活基因）

 

生物通编辑：叶予

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