著名遗传学家：用CRISPR重塑基因组

美国国家科学院院刊PNAS杂志上发表的一项研究显示，用CRISPR/Cas9修饰垃圾DNA中的一个碱基，会改变基因组大量片段的折叠方式。这意味着CRISPR/Cas9有望用于治疗以基因组错误折叠为特征的疾病。

　　

生物通报道：基因组的空间构象一直被视为基因表达的重要调控因素。美国国家科学院院刊PNAS杂志上发表的一项研究显示，用CRISPR/Cas9修饰垃圾DNA中的一个碱基，会改变基因组大量片段的折叠方式。这意味着CRISPR/Cas9有望用于治疗以基因组错误折叠为特征的一系列疾病。

一张纸可以折成各种各样的东西，比如花、鸟、昆虫、起重机等等。与此类似的是，基因组的不同折叠方式能赋予细胞各种各样的功能，比如抵御感染的免疫细胞、感知光线的视锥细胞和不停搏动的心肌细胞。几十年来，人们一直在基因附近的区域研究其表达调控。然而，基因组折叠会使相距很远的序列发生接触，这种基因组成环曾经是现代生物学的一大盲点。

除了影响基因调控以外，基因组折叠也在癌症发展中起到了重要作用。举例来说，有些癌细胞的拷贝数变异就是基因组成环造成的，这种变异代表着癌细胞的基因组不稳定性。有些癌症的染色体易位也和基因组折叠有关，比如Burkitt’s淋巴瘤中Myc与免疫球蛋白基因间的易位，以及慢性髓细胞白血病中的Bcr-Abl易位。

“用CRISPR/Cas9实施靶向性手术可以重塑人类基因组，精确控制其折叠形式，”文章的通讯作者，Baylor医学院的Erez Lieberman Aiden说。“人们只需要操纵相应代码的定位，就能有效破坏、移动和创造基因组中的环。”

文章另一位通讯作者是著名遗传学家、美国科学院院士Eric S. Lander教授。Lander教授是Broad研究所的创始人，也是人类基因组计划主要负责人之一。他和同事开发的高分辨率染色体构象捕获技术Hi-C，将细胞核里的DNA-DNA邻位连接与大规模平行测序相结合，能无偏好地鉴定全基因组的染色质互作。

Aiden等人利用Hi-C技术建立了高分辨率的基因组图谱，揭示了超过一百五十亿染色质接触。他们从中鉴定了大约一万个DNA环，这些环是相隔较远的2段DNA凑在一起形成的。研究显示，DNA环将基因组划分成不同的接触结构域（contact domain），这些环的锚定点上存在CCCTC结合因子（CTCF）的结合位点。

在这项研究中，研究人员将上述高分辨率图谱与显微镜检测和基因组编辑结合起来，分析了染色质纤维、接触结构域和环的具体结构。研究指出，人们可以通过可预测的方式重新设计染色质环和结构域，比如用CRISPR/Cas9在CTCF位点生成高度靶向性的突变。（延伸阅读：Science推出CRISPR特辑：一场正在进行的革命）

细菌一直在与病毒或入侵核酸进行斗争，为此它们演化出了多种防御机制，CRISPR/Cas适应性免疫系统就是其中之一。规律成簇的间隔短回文重复CRISPR与内切酶Cas9的组合，可以在引导RNA的指引下，靶标并切割入侵者的遗传物质。

2012年研究者们利用这一特点，将CRISPR系统发展成了强大的基因组编辑工具。该系统使用简单而且扩展性强，很快便成为了生物学领域的香饽饽。几乎所有实验室都可以很方便的进行CRISPR基因组编辑，你只需要在自己感兴趣的细胞或生物中表达Cas9内切酶和引导RNA（gRNA）。内切酶Cas9会在gRNA的指导下引入位点特异性的双链断裂，然后细胞通过同源重组进行修复，最终改写基因组的特定位点。最近，人们也开始用CRISPR-Cas9系统进行基因调控，随心所欲的开/关基因。

“人为设计基因组环在合成生物学领域很有价值，”文章的共同第一作者，斯坦福大学的Adrian Sanborn说。“这项研究为我们打开了一个全新领域，有助于更有效的设计基因调控回路和控制系统。进一步探索基因组3D折叠设计，将为人们提供大量能选择性开启和关闭基因的新工具。”

这项研究也具有重要的临床意义。随着正常细胞转变为肿瘤细胞，基因组也会以特定方式改变自己的空间构象。人们可以通过基因组折叠，理解癌症发展并对其进行预测。“基因组三维结构的精确读写能力，能帮我们检测和剖析各种基因组3D折叠在疾病中的影响，”另一位文章第一作者，Stanford大学的Suhas Rao说。“真正通过改变基因组3D结构来治疗人类疾病还有很长的路要走，不过设计基因组折叠的能力是深入理解复杂遗传学疾病的重要一步。”

 

生物通编辑：叶予

生物通推荐原文：Sanborn AL et al. Chromatin extrusion explains key features of loop and domain formation in wild-type and engineered genomes. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015 Oct 23. pii: 201518552.