遺傳學(xué)大牛再發(fā)重要突破：雙功能CRISPR-Cas9
日期：2015-09-08 08:56:35
CRISPR-Cas9是細(xì)菌在漫長的進(jìn)化過程中演化出的重要防御機(jī)制。這個監(jiān)控體系能夠根據(jù)引導(dǎo)RNA（gRNA）的指示，靶標(biāo)并降解入侵者的遺傳物質(zhì)。現(xiàn)在，CRISPR-Cas9已經(jīng)成為了炙手可熱的基因組編輯工具，幫助世界各地的研究者們解決實(shí)際問題。近年來，這一技術(shù)在多個領(lǐng)域中展現(xiàn)了自己強(qiáng)大的實(shí)力，催生了大量的重要成果。
日前，哈佛大學(xué)和麻省理工的研究團(tuán)隊開發(fā)了雙重功能的CRISPR-Cas9系統(tǒng)，能夠同時實(shí)現(xiàn)基因組工程和基因調(diào)控。這一重大突破發(fā)表在九月七日的Nature Methods雜志上。
CRISPR-Cas9系統(tǒng)最初用于特異性修改基因序列，被視為基因組工程領(lǐng)域的革命性工具。細(xì)菌免疫系統(tǒng)的天然蛋白Cas9，能像分子剪刀一樣精確切割或編輯特定的DNA片段。不過最近科學(xué)家們也開始用CRISPR-Cas9系統(tǒng)進(jìn)行基因調(diào)控，隨心所欲的開/關(guān)基因。
不論是基因組工程還是基因調(diào)控，CRISPR-Cas9的第一步是相同的：引導(dǎo)RNA通過序列互補(bǔ)原則將Cas9帶到基因組特定位點(diǎn)，使其與目的基因結(jié)合。不過到目前為止，基因組工程和基因調(diào)控需要用到不同的Cas9蛋白。基因組工程依賴Cas9的DNA剪切活性，而基因調(diào)控需要去除其剪切活性，只保留Cas9結(jié)合目標(biāo)基因的能力。基因調(diào)控所用的Cas9變體通常與調(diào)控基因表達(dá)的蛋白融合在一起。
哈佛大學(xué)的George Church和麻省理工的Ron Weiss領(lǐng)導(dǎo)研究團(tuán)隊開發(fā)了一個新策略，成功用一種Cas9同時完成兩項(xiàng)任務(wù)。他們使用經(jīng)過改造的引導(dǎo)RNA和化膿性鏈球菌（Streptococcus pyogenes）的Cas9蛋白，在切割特定基因的同時調(diào)控其他基因的表達(dá)。這一技術(shù)大大增加了基因組編輯和基因控制的復(fù)雜性，有助于更好的研究疾病和藥物的作用機(jī)理。
著名遺傳學(xué)George M. Church是哈佛醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)教授、Wyss研究所的核心成員。他被譽(yù)為是個人基因組學(xué)和合成生物學(xué)的先鋒。1984年，Church和Walter Gilbert發(fā)表了首個直接基因組測序方法，該文章中的一些策略現(xiàn)在仍應(yīng)用在二代測序技術(shù)中。此外，如今的多重化分子技術(shù)和條碼式標(biāo)簽也是他發(fā)明的，Church還是納米孔測序技術(shù)的發(fā)明者之一。
研究顯示，引導(dǎo)RNA的長度起到了關(guān)鍵性作用，能夠決定Cas9結(jié)合DNA之后是否進(jìn)行切割。這一發(fā)現(xiàn)正是這項(xiàng)研究的關(guān)鍵所在。“過度截短引導(dǎo)RNA會使Cas9不能切割其基因組靶點(diǎn)，我們?nèi)娣治隽诉@其中的原因，”博士后Alejandro Chavez說，他和Samira Kiani是這篇文章的共同第一作者。
研究人員在人類細(xì)胞中證實(shí)，過短的引導(dǎo)RNA的確讓Cas9無法切割靶基因。然而出人意料的是，截短引導(dǎo)RNA并不影響Cas9與靶基因的結(jié)合。人們可以在此基礎(chǔ)上，用Cas9把基因調(diào)控蛋白送到特定的基因上。
“我們可以根據(jù)引導(dǎo)RNA的這種原則，用一種蛋白獲得對基因序列和基因表達(dá)的直接控制，幾乎所有DNA都能轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)控序列，幫助我們進(jìn)一步操縱細(xì)胞。這一技術(shù)將為我們揭示重要過程背后的復(fù)雜互作（比如癌癥耐藥性和干細(xì)胞分化），或者幫我們設(shè)計更高級的人工基因回路，”Church說。
“雙功能CRISPR-Cas9可以提升我們的能力，破解致病基因之間的復(fù)雜關(guān)系，”文章的一位共同作者，Marcelle Tuttle說。這一技術(shù)也可以用于工業(yè)領(lǐng)域，促進(jìn)基因工程菌株（E. coli等）大規(guī)模生產(chǎn)化合物和燃料，同時保護(hù)這些菌株不被其他病原體感染。
“使用Cas9這種革命性工具，我們將征服新的生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域。這項(xiàng)研究顯著提高了CRISPR-Cas9的控制水平，進(jìn)一步拓展了這一系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，”Wyss研究所的Donald Ingber博士說。
Church和哈佛大學(xué)Wyss研究所的同事前不久還在Nature Methods雜志上發(fā)表過另一個革命性的CRISPR-Cas9技術(shù)。過去的基因表達(dá)研究只能一次研究一個基因，Church等人將Cas9與延長了三倍的轉(zhuǎn)錄因子融合起來，使其能夠強(qiáng)力控制單個或多個基因，決定遺傳學(xué)性狀是否表達(dá)及其表達(dá)程度。據(jù)介紹，該技術(shù)可以揭示一連串基因回路對生物過程的影響（比如組織發(fā)育或疾病發(fā)生），也可以精確指導(dǎo)干細(xì)胞分化，生成再生醫(yī)學(xué)所需的移植器官。研究人員已經(jīng)在體外培養(yǎng)的酵母、果蠅、小鼠和人類細(xì)胞中證實(shí)了這一技術(shù)操縱基因表達(dá)的能力。
