怀特黑德生物医学研究所 一种新的CRISPR方法允许研究人员在不改变潜在的DNA序列的情况下沉默人类基因组中的大多数基因，然后逆转这些变化
荣誉:詹妮弗·库克-克里斯/怀特海研究所 在过去的十年里，CRISPR-Cas9基因编辑系统彻底改变了基因工程，使科学家能够对生物体的DNA进行有针对性的改变。
虽然该系统可能有助于治疗多种疾病，但CRISPR-Cas9编辑涉及切割DNA链，导致细胞遗传物质的永久变化。
现在，在4月9日在线发表在《细胞》杂志上的一篇论文中，研究人员描述了一种新的基因编辑技术CRISPRoff，它允许研究人员以高特异性控制基因表达，同时保持DNA序列不变
由怀特海研究所成员乔纳森·韦斯曼、加州大学旧金山分校助理教授卢克·吉尔伯特、韦斯曼实验室博士后詹姆斯·努涅斯及其合作者设计的这种方法足够稳定，可以通过数百个细胞分裂进行遗传，而且是完全可逆的
“重要的是，我们现在有了一个简单的工具，可以沉默绝大多数基因，”威斯曼说，他也是麻省理工学院的生物学教授和霍华德·休斯医学研究所的研究员
“我们可以同时对多个基因做到这一点，而不会对脱氧核糖核酸造成任何损害，具有很大的同质性，并且可以逆转
这是控制基因表达的好工具
" 该项目由国防高级研究项目局2017年的一笔赠款部分资助，用于创建一个可逆的基因编辑器
“快进四年(从最初的资助开始)，克里斯普洛夫最终以科幻小说的方式工作，”合著者吉尔伯特说
“看到它在实践中如此成功，令人兴奋
" 基因工程2
0 经典的CRISPR-Cas9系统使用一种在细菌免疫系统中发现的叫做Cas9的脱氧核糖核酸切割蛋白。
该系统可以使用一个单一的导向核糖核酸靶向人类细胞中的特定基因，Cas9蛋白在脱氧核糖核酸链中产生微小的断裂。
然后细胞现有的修复机器会修补这些洞
因为这些方法改变了潜在的脱氧核糖核酸序列，所以它们是永久性的
此外，他们对“内部”细胞修复机制的依赖意味着很难将结果限制在一个单一的期望变化上
维斯曼说:“虽然CRISPR-Cas9很漂亮，但它把修复交给了复杂而多面的自然细胞过程。”
“很难控制结果
" 这就是研究人员看到了一种不同类型的基因编辑器的机会——这种编辑器不会改变DNA序列本身，但会改变它们在细胞中的读取方式
这种修饰被科学家称为“表观遗传”——基因可以根据脱氧核糖核酸链的化学变化而沉默或激活
细胞的表观遗传问题导致了许多人类疾病，如脆性X综合征和各种癌症，并且可以世代相传
表观遗传基因沉默通常是通过甲基化作用实现的——在DNA链的某些地方添加化学标签——这导致RNA聚合酶无法访问DNA，而RNA聚合酶是一种将DNA序列中的遗传信息读取到信使RNA转录物中的酶，信使RNA转录物最终可能是蛋白质的蓝图
魏斯曼和他的合作者之前已经创建了另外两个表观遗传学编辑器，分别叫做CRISPRi和CRISPRa——但是这两个编辑器都有一个警告
为了让它们在细胞中工作，细胞必须不断地表达人工蛋白质来维持这些变化
吉尔伯特说:“有了这项新的CRISPRoff技术，你可以(简单地表达一种蛋白质)编写一个被细胞无限期记忆和执行的程序。”
“它改变了游戏，所以现在你基本上是在写一个通过细胞分裂传递的变化——在某些方面，我们可以学习创建版本2
0的CRISPR-Cas9更安全、更有效，还可以做所有其他事情
" 构建开关 为了建立一个可以模拟自然脱氧核糖核酸甲基化的表观遗传学编辑器，研究人员创造了一个微小的蛋白质机器，在小核糖核酸的指导下，可以将甲基固定在链上的特定位置。
这些甲基化的基因然后被“沉默”或关闭，因此得名CRISPRoff
因为这种方法不会改变脱氧核糖核酸链的序列，所以研究人员可以使用去除甲基的酶来逆转沉默效应，他们称之为CRISPRon
当他们在不同的条件下测试CRISPRoff时，研究人员发现了新系统的一些有趣的特征
首先，他们可以将这种方法针对人类基因组中的绝大多数基因——它不仅适用于基因本身，也适用于控制基因表达但不编码蛋白质的其他DNA区域
第一作者努涅斯说:“即使对我们来说，这也是一个巨大的冲击，因为我们认为它只适用于一部分基因。”
此外，令研究人员惊讶的是，CRISPRoff甚至能够沉默那些没有被称为CpG岛的大甲基化区域的基因，而CpG岛以前被认为是任何DNA甲基化机制所必需的
吉尔伯特说:“在这项工作之前，人们认为30%没有CpG岛的基因不受DNA甲基化的控制。”
“但我们的工作清楚地表明，你不需要一个CpG岛来通过甲基化来关闭基因
对我来说，这是一个很大的惊喜
" 克里斯普洛夫研究和治疗 为了研究CRISPRoff在实际应用中的潜力，科学家们在诱导多能干细胞中测试了这种方法
这些细胞可以根据它们所接触的分子混合物在体内转变成无数种细胞类型，因此是研究特定细胞类型发育和功能的强大模型
研究人员选择了一种在干细胞中沉默的基因，然后诱导它们变成被称为神经元的神经细胞
当他们在神经元中寻找相同的基因时，他们发现它在90%的细胞中保持沉默，这表明即使细胞改变了细胞类型，细胞仍然保留着CRISPRoff系统所做的表观遗传修饰的记忆
他们还选择了一个基因作为CRISPRoff如何应用于治疗的例子:编码与阿尔茨海默病有关的Tau蛋白的基因
在神经元中测试了这种方法后，他们能够证明使用CRISPRoff可以用来降低Tau的表达，尽管不是完全关闭
“我们展示的是，这是一种沉默τ蛋白并阻止其表达的可行策略，”魏斯曼说
“那么，问题是，你如何把这个交给一个成年人？这真的足以影响老年痴呆症吗？这些都是悬而未决的大问题，尤其是后者
" 即使CRISPRoff不会导致阿尔茨海默氏症的治疗，它也有可能应用于许多其他情况
尽管向特定组织输送对CRISPRoff等基因编辑技术来说仍然是一个挑战，“我们表明，您可以暂时以DNA或RNA的形式输送它，这与现代和生物技术冠状病毒疫苗的基础技术相同，”魏斯曼说。
魏斯曼、吉尔伯特和他的合作者也对克里斯普洛夫的研究潜力充满热情
“既然我们现在可以沉默基因组中我们想要的任何部分，这是探索基因组功能的一个很好的工具，”魏斯曼说
此外，拥有一个可靠的系统来改变细胞的表观遗传可以帮助研究人员了解表观遗传修饰通过细胞分裂传递的机制
“我认为我们的工具真的允许我们开始研究遗传机制，尤其是表观遗传，这是生物医学科学中的一个大问题，”努涅斯说
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