Nature：利用CRISPR破解基因組密碼

日期：2016-03-14 09:12:13

3月7日，Nature網站發表了一篇題為“CRISPR: gene editing is just the beginning”的文章，在這一長篇新聞特稿中Nature指出基因編輯只是CRISPR技術應用的一個起點，這一生物工具的真正能力在于探索基因組的運作機制。并為我們介紹了近年發布在Nature、Science、Cell三大頂級期刊及子刊上那些重大的CRISPR技術成果及應用。

CRISPR破解密碼

DNA上的表觀遺傳修飾并非唯一有待破解的基因組密碼。超過98%的人類基因組不編碼蛋白質。但研究人員認為，相當一部分的這類DNA做著重要的事情，他們正在采用CRISPR–Cas9來闡明那是什么。

一些DNA編碼了諸如microRNAs和長鏈非編碼RNA一類的RNA分子——人們認為它們具有合成蛋白質以外的功能。另一些序列是可以按要求放大基因表達的“增強子”。大多數與常見病風險有關聯的DNA序列定位在包含非編碼RNA和增強子的基因組區域中。但在CRISPR–Cas9之前，研究人員很難弄清楚這些序列的功能。波士頓兒童醫院血液學家Daniel Bauer說：“我們沒有好的方法從功能上注釋這些非編碼基因組。現在我們的實驗更加的精細。”

南加州大學分子生物學家Peggy Farnham和同事們利用CRISPR–Cas9刪除在前列腺癌和大腸癌基因組研究中發現的突變增強子區域。有時候研究結果讓她感到吃驚。在一項沒有發布的實驗中，她的研究小組刪除了一個過去認為很重要的增強子，在它的100萬個堿基中沒有一個基因改變了表達。“我們通常分類一種調控元件影響力的方式與你刪除這一元件時發生的事情并不符。”

當研究人員利用CRISPR–Cas9來探究大片段的調控DNA時有可能會出現更多的驚喜。由麻省理工學院（MIT）的遺傳David Gifford和Brigham婦女醫院的Richard Sherwood領導的研究小組利用這一技術在一段4萬個堿基的序列上制造了突變，隨后檢測了是否每種改變會對鄰近的熒光蛋白編碼基因造成影響。由此生成了一張增強基因表達的DNA序列圖譜，包括幾個基于基因調控特征如染色質修飾未預測到的序列（CRISPR新應用：尋找基因調控元件 ,High-throughput mapping of regulatory DNA.Nature Biotechnology 34, 167–174 (2016) doi:10.1038/nbt.3468）。

深入研究這種暗物質面臨著挑戰，即便是采用CRISPR–Cas9。Cas9酶將會切割向導RNA告知它的位點，但前提是有一條特異且常見的DNA序列在切割位點的附近。對于想沉默基因的研究人員來說困難不大，因為這些重要的序列幾乎總是存在于基因內的某個地方。但對于那些想對短鏈非編碼RNAs完成非常特異的改變的人來說則選擇有限。荷蘭癌癥研究所研究人員Reuven Agami說：“我們無法獲得任何的序列。”

研究人員正在搜索細菌王國尋找Cas9酶的近親來識別不同的序列。去年，麻省理工和哈佛大學Broad研究所生物工程師張鋒（Feng Zhang），描繪了一個叫做Cpf1的酶家族的特征，Cpf1以與Cas9相似的方式發揮作用，能夠擴大序列選擇（張鋒Cell：新一代CRISPR基因組編輯系統 ,Cpf1 Is a Single RNA-Guided Endonuclease of a Class 2 CRISPR-Cas System.Cell.Volume 163, Issue 3, p759–771, 22 October 2015）。但Agami指出到目前為止只發現很少的替代酶與最流行的Cas9一樣起作用。在未來，他希望能夠有很多的酶可以靶向基因組中的任何位點。“我們現在還沒有做到，”他說。