CRISPR基因編輯技術自問世以來，就表現出其他基因編輯技術無可比擬的優(you) 勢，並深刻改變了基因編輯領域乃至整個(ge) 生命科學的研究模式。在原理上，以CRISPR-Cas9係統為(wei) 例，Cas9蛋白在gRNA的引導下會(hui) 靶向與(yu) 之互補的DNA雙鏈並將其斷裂，從(cong) 而將該基因位點突變失活。

但值得注意的是，DNA雙鏈斷裂後的細胞修複過程是難以控製和預料的，有可能會(hui) 導致不必要的基因改變。由此看來，如果能開發一種替代技術，可以在不損害DNA的情況下改變基因表達，從(cong) 而在保留CRISPR技術優(you) 點的同時，還能提高其安全性和可操控性，這對科學研究和藥物開發都是十分重要的。

2021年4月9日，美國麻省理工學院和加州大學舊金山分校的研究人員在 Cell 上發表題為(wei) ：Genome-wide programmable transcriptional memory by CRISPR-based epigenome editing 的研究論文。

這項研究開發了一種基於(yu) CRISPR的表觀基因組編輯係統——CRISPRoff（或CRISPRon），該技術可以通過在基因中加入或移除甲基化來控製它們(men) 的表達。研究團隊通過CRISPRoff成功誘導多能幹細胞轉化為(wei) 神經元，並抑製Tau蛋白——一種老年癡呆相關(guan) 蛋白的表達。

隨著遺傳(chuan) 學的發展，人們(men) 逐漸意識到，個(ge) 體(ti) 性狀的改變不一定都是來源於(yu) 基因序列的變化。在某些情況下，即使兩(liang) 個(ge) 個(ge) 體(ti) 的基因序列完全相同，但在不同的環境下卻可以表現出截然不同的性狀，這就是表觀遺傳(chuan) 學（Epigenetic）。

更重要的是，近年來的研究發現表觀遺傳(chuan) 與(yu) 人類的許多疾病的發生發展密切相關(guan) ，尤其是癌症。因此不少實驗室和醫藥公司都在競相開發表觀遺傳(chuan) 藥物，但在開發成本、治療效果以及藥物副作用等方麵存在或多或少的問題。

在此項研究中，研究團隊提出了一種可編程的表觀遺傳(chuan) 記憶書(shu) 寫(xie) 器——CRISPRoff，它由切割活性喪(sang) 失的Cas9蛋白（dCas9）和DNA甲基轉移酶（DNMT3A）融合而成。研究人員驚奇地發現，CRISPRoff可以靶向人類基因組中的大多數基因，甚至是那些不翻譯蛋白質的基因。

通過CRISPRoff實現的持久的和多路複用的基因沉默

DNA甲基化是最常見的一種表觀遺傳(chuan) 模式，且往往會(hui) 抑製甲基化區域相關(guan) 基因的表達。研究小組發現，短暫的CRISPRoff表達將引發高度特異性的DNA甲基化和基因抑製，並成功誘導多能幹細胞分裂分化為(wei) 神經元。

不僅(jin) 如此，研究團隊還構建了與(yu) CRISPRoff功能相反的表觀遺傳(chuan) 效應器——CRISPRon，它通過融合DNA去甲基化酶和轉錄激活因子來逆轉沉默基因的表達模式，促進其表達。

CRISPRon促進沉默基因的表達

研究人員還將CRISPRoff與(yu) 全基因組篩選和染色質標記分析進行配對，以此建立了遺傳(chuan) 基因沉默的規則。他們(men) 發現了能夠沉默絕大多數基因的sgRNAs，包括那些缺乏典型CpG島(cgi)的基因，並揭示了超出注釋CpG島的廣泛靶向窗口。

CRISPRoff介導無CpG島注釋的基因的沉默

為(wei) 了CRISPRoff係統是否適用於(yu) 治療重大疾病，研究人員決(jue) 定在神經元上進行測試——通過CRISPRoff實現神經元中Tau蛋白表達的降低。值得一提的是，Tau蛋白會(hui) 在大腦中形成“纏結”，進而導致記憶喪(sang) 失和阿爾茨海默氏症的其他症狀。

對此，本研究的通訊作者 Jonathan Weissman 教授表示：“我們(men) 所展示的是，這是一種沉默Tau蛋白並阻止該蛋白表達的可行策略。當然，目前仍有一些問題需要進一步研究來回答。例如，你要怎麽(me) 把這個(ge) 東(dong) 西遞送給成年人呢？它真的足以影響老年癡呆症嗎？”

CRISPRoff實現神經元中Tau蛋白表達的降低

實際上，CRISPRoff隻是這些年來科學家們(men) 為(wei) 提高CRISPR的效率和安全性而提出的幾種方法之一。此前，在2018年，Weissman等就通過一種名為(wei) CRISPRa（激活）的技術，增強了一種能促進飽腹感的基因的表達，他們(men) 認為(wei) 這為(wei) 肥胖治療提供了新的希望。與(yu) 之相，一種名為(wei) CRISPRi（幹擾）的基因編輯器，它可以降低基因的表達。

總而言之，CRISPRoff具有廣泛的啟動可遺傳(chuan) 基因沉默的能力，甚至在CpG島之外擴展了基於(yu) 甲基化的基因沉默模式，並使多種應用成為(wei) 可能，包括全基因組篩選、多路細胞工程、增強子沉默和表觀遺傳(chuan) 機製探索等等。


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