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CRISPRoff-CRISPRon, 全新基因技术为治疗老年痴呆症开辟新的途径

Magigen

2021-04-12

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通过遗传方式改变基因表达会带来许多新的发现和新的治疗方法。CRISPR基因编辑技术的应用，对生命科学和人类生活产生了积极而重大的影响。例如，CRISPR Cas9系统，Cas9蛋白在gRNA的引导下会靶向与之互补的DNA双链，并使其断裂，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，有可能会导致不利的基因改变。

可否在不损害DNA的情况下，改变基因表达，在保留CRISPR技术优点的同时，还能增加其可操控性和安全性？

答案是肯定的。

2021 年 4 月 9 日，美国加州大学旧金山分校UCSF和 Whitehead研究院的研究人员在 Cell 杂志发表论文 Genome-wide programmabletranional memory by CRISPR-based epigenome editing 。描述了一种名为“CRISPRoff”的新型基于CRISPR系统的工具，该工具允许科学家关闭人类细胞中的几乎任何基因而不用编辑遗传密码。一旦一个基因被关闭，在细胞以后的数百代中，该基因仍然是惰性的，除非它被称为CRISPRon的互补工具重新打开。

这项技术以 CRISPR 系统为基础，开发出了一套全新的表观遗传编辑器 CRISPRoff，其瞬时表达便可实现持久可遗传、而且可逆转的 DNA 甲基化修饰和基因转录调控，有效地弥补了现有的转录调控/表观遗传编辑工具，例如 CRISPRi（dCas9-KRAB）及 dCas9-Dnmt3a（D3A）-Dnmt3L（D3L）的转录抑制效果缺乏持久性和可遗传性的功能短板。

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(阿尔茨海默病)相关蛋白的表达。

随着遗传学的发展，人们发现，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）。

由于表观基因组在从病毒感染到癌症的许多疾病中起着核心作用，因此CRISPRoff技术有朝一日可能会变成强大的表观遗传疗法。由于这种方法不涉及任何DNA编辑，因此它可能比传统的CRISPR疗法更安全，传统的CRISPR疗法已知会对基因组造成不必要的和潜在有害的变化。

基因疗法和细胞疗法是医学的未来方向之一，许多研究团队做的都很好，例如Zhang Lab, Magigen, 论文作者之一卢克·吉尔伯特博士说：“但永久改变基因组仍存在潜在的安全隐患，这就是为什么我们试图提出其他使用CRISPR治疗疾病的方法“。

传统的CRISPR配备了两件分子硬件，使其成为一种有效的基因编辑工具。一种成分是DNA剪切酶，它使CRISPR能够改变DNA序列。另一种是归位装置，可以专注编程任何相关的DNA序列，从而精确控制编辑的位置。

通过CRISPRoff实现的持久的和多路复用的基因沉默

为了构建CRISPRoff，研究人员在保留归位装置的同时，免除了传统CRISPR的DNA剪切酶功能，创建了能够靶向任何基因、但不能编辑它的"剥离"CRISPR。然后他们将一种酶拴在这个裸露的CRISPR上。但不是剪接DNA，这种酶作用于表观基因组。

“重大惊喜”颠覆了表观遗传学的基本原则

根据意大利一个小组以前的工作，研究人员相信CRISPRoff能够沉默特定基因，但他们怀疑大约30%的人类基因对新工具没有反应。

DNA由四个遗传字母组成--A，C，G，T-但一般来说，只有Gs旁边的Cs可以被甲基化。使事情复杂化的是，科学家们长期以来一直认为，甲基化只能使基因组中CG序列高度集中的位点（称为“CpG岛”）的基因沉默。

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CRISPR Cas9蛋白（dCas9）和DNA甲基转移酶（DNMT3A）融合而成。

由于近三分之一的人类基因缺乏CpG岛，研究人员认为甲基化不会关闭这些基因。但是他们的CRISPRoff实验颠覆了这个表观遗传教条。

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。

“这项工作之前的想法是，基因中有30%没有CpG岛，不受DNA甲基化的控制。”吉尔伯特告诉美格君："但是我们的工作清楚地表明，您不需要CpG岛来通过甲基化关闭基因。对我来说，这是一个重大的惊喜。”

新工具针对称为DNA甲基化的特定表观遗传特征，DNA甲基化是表观基因组的许多分子部分之一。当DNA被甲基化时，称为甲基的小化学标签附着在DNA上，这使附近的基因沉默。尽管DNA甲基化在所有哺乳动物细胞中都是天然存在的，但CRISPRoff为科学家提供了前所未有的控制。

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的工具可去除CRISPRoff沉积的甲基化标记，使该过程完全可逆。

“现在我们有一个简单的工具，可以使绝大多数基因沉默，”新论文的共同高级作者乔纳森·韦斯曼博士说“我们可以同时对多个基因进行此操作，而不会造成任何DNA损伤，并且可以逆转。它是控制基因表达的重要工具。”

CRISPRon促进沉默基因的表达

研究人员将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

为了验证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，韦斯曼博士表示：“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

表观遗传增强了CRISPRoff的治疗潜力

易于使用的表观遗传编辑器如CRISPRoff具有巨大的治疗潜力，很大程度上是因为像基因组一样，表观基因组可以被遗传。

当CRISPRoff使基因沉默时，不仅基因在处理过的细胞中保持关闭状态，而且在细胞分裂后的后代中也保持关闭状态，长达450代。

令研究人员惊讶的是，这甚至在成熟的干细胞中也是如此。尽管从干细胞到分化成体细胞的转变涉及到表观基因组的重大重组，但CRISPRoff所沉积的甲基化标记在进行这种转变的相当一部分细胞中被忠实地遗传。

这些发现表明，CRISPRoff仅需施用一次即可具有持久的治疗效果，这使其成为治疗罕见遗传疾病的有前途的方法，这包括影响结缔组织的马凡氏综合症，乔布氏综合症，免疫系统疾病，老年痴呆症，和某些形式的癌症，这些疾病都是由单个受损基因拷贝的活性引起。

研究人员指出，尽管CRISPRoff非常有前途，但需要进一步开展工作才能充分发挥其治疗潜力。时间将告诉我们CRISPRoff和类似技术是否确实是“医学的未来” 。