给CRISPR加上开关！通过表观遗传操控基因表达

撰文｜nagashi

CRISPR基因编辑技术自问世以来，就表现出其他基因编辑技术无可比拟的优势，并深刻改变了基因编辑领域乃至整个生命科学的研究模式。在原理上，以CRISPR-Cas9系统为例，Cas9蛋白在gRNA的引导下会靶向与之互补的DNA双链并将其断裂，从而将该基因位点突变失活。

但值得注意的是，DNA双链断裂后的细胞修复过程是难以控制和预料的，有可能会导致不必要的基因改变。由此看来，如果能开发一种替代技术，可以在不损害DNA的情况下改变基因表达，从而在保留CRISPR技术优点的同时，还能提高其安全性和可操控性，这对科学研究和药物开发都是十分重要的。

2021年4月9日，美国麻省理工学院和加州大学旧金山分校的研究人员在Cell上发表题为：Genome-wide programmable transcriptional memory by CRISPR-based epigenome editing 的研究论文。

这项研究开发了一种基于CRISPR的表观基因组编辑系统——CRISPRoff（或CRISPRon），该技术可以通过在基因中加入或移除甲基化来控制它们的表达。研究团队通过CRISPRoff成功诱导多能干细胞转化为神经元，并抑制Tau蛋白——一种老年痴呆相关蛋白的表达。

随着遗传学的发展，人们逐渐意识到，个体性状的改变不一定都是来源于基因序列的变化。在某些情况下，即使两个个体的基因序列完全相同，但在不同的环境下却可以表现出截然不同的性状，这就是表观遗传学（Epigenetic）。

更重要的是，近年来的研究发现表观遗传与人类的许多疾病的发生发展密切相关，尤其是癌症。因此不少实验室和医药公司都在竞相开发表观遗传药物，但在开发成本、治疗效果以及药物副作用等方面存在或多或少的问题。

在此项研究中，研究团队提出了一种可编程的表观遗传记忆书写器——CRISPRoff，它由切割活性丧失的Cas9蛋白（dCas9）和DNA甲基转移酶（DNMT3A）融合而成。研究人员惊奇地发现，CRISPRoff可以靶向人类基因组中的大多数基因，甚至是那些不翻译蛋白质的基因。

通过CRISPRoff实现的持久的和多路复用的基因沉默

DNA甲基化是最常见的一种表观遗传模式，且往往会抑制甲基化区域相关基因的表达。研究小组发现，短暂的CRISPRoff表达将引发高度特异性的DNA甲基化和基因抑制，并成功诱导多能干细胞分裂分化为神经元。

不仅如此，研究团队还构建了与CRISPRoff功能相反的表观遗传效应器——CRISPRon，它通过融合DNA去甲基化酶和转录激活因子来逆转沉默基因的表达模式，促进其表达。

CRISPRon促进沉默基因的表达

研究人员还将CRISPRoff与全基因组筛选和染色质标记分析进行配对，以此建立了遗传基因沉默的规则。他们发现了能够沉默绝大多数基因的sgRNAs，包括那些缺乏典型CpG岛(cgi)的基因，并揭示了超出注释CpG岛的广泛靶向窗口。

CRISPRoff介导无CpG岛注释的基因的沉默

为了CRISPRoff系统是否适用于治疗重大疾病，研究人员决定在神经元上进行测试——通过CRISPRoff实现神经元中Tau蛋白表达的降低。值得一提的是，Tau蛋白会在大脑中形成“缠结”，进而导致记忆丧失和阿尔茨海默氏症的其他症状。

对此，本研究的通讯作者Jonathan Weissman教授表示：“我们所展示的是，这是一种沉默Tau蛋白并阻止该蛋白表达的可行策略。当然，目前仍有一些问题需要进一步研究来回答。例如，你要怎么把这个东西递送给成年人呢？它真的足以影响老年痴呆症吗？”

CRISPRoff实现神经元中Tau蛋白表达的降低

实际上，CRISPRoff只是这些年来科学家们为提高CRISPR的效率和安全性而提出的几种方法之一。此前，在2018年，Weissman等就通过一种名为CRISPRa（激活）的技术，增强了一种能促进饱腹感的基因的表达，他们认为这为肥胖治疗提供了新的希望。与之相，一种名为CRISPRi（干扰）的基因编辑器，它可以降低基因的表达。

总而言之，CRISPRoff具有广泛的启动可遗传基因沉默的能力，甚至在CpG岛之外扩展了基于甲基化的基因沉默模式，并使多种应用成为可能，包括全基因组筛选、多路细胞工程、增强子沉默和表观遗传机制探索等等。