Cell: 新型CRISPR转录组学编辑“机器”有助于重塑转录组记忆

来源：本站原创 2021-04-12 01:20

基因编辑技术的进步大幅提升了我们修饰人类基因组的能力。基于sgRNA介导的CRISPR- Cas9相关基因编辑技术能够在指定位点引入DNA断裂以失活基因功能或通过同源性DNA修复引导精确的DNA编辑，这些技术已针对基础DNA序列的靶向变化进行了优化，因此非常适合修复或引入致病性突变。然而，上述技术对内源性DNA修复机制的依赖提出了挑战，因为这些途径的复杂性可能使其难以进一步提升精确性。

2021年4月12日讯/生物谷BIOON/---基因编辑技术的进步大幅提升了我们修饰人类基因组的能力。基于sgRNA介导的CRISPR- Cas9相关基因编辑技术能够在指定位点引入DNA断裂以失活基因功能或通过同源性DNA修复引导精确的DNA编辑，这些技术已针对基础DNA序列的靶向变化进行了优化，因此非常适合修复或引入致病性突变。然而，上述技术对内源性DNA修复机制的依赖提出了挑战，因为这些途径的复杂性可能使其难以进一步提升精确性。

（图片来源：www.cell.com）

调节基因功能的另一种方式是在表观遗传学水平进行影响，从而控制基因表达而无需改变基础的DNA序列。此前研究已经表明，失去催化活性的dCas9可以增强（CRISPRa）或抑制（CRISPRi）哺乳动物细胞中的基因转录水平。可编程的表观基因组编辑是可调的，可逆的，并且不需要DNA断裂，有效地绕过了与基因编辑相关的细胞毒性。但是，当前的可编程表观基因组编辑技术通常依赖于dCas9融合蛋白的组成型表达来维持转录控制。因此，这些方式仍然不太适合细胞治疗和生物工程的应用。

最近的工作表明，表观基因组编辑有可能编写一种稳定的转录程序，该程序可以被人类细胞记住并传播，而无需可编程表观遗传调节剂的组成型表达。此外，可以通过募集DNA甲基转移酶和KRAB结构域的混合物来沉默基因。然而，迄今为止，表观遗传记忆编写程序仅对少数内源性人类基因进行了沉默测试。此外，以前的可编程表观遗传沉默子设计为每个靶基因使用两个或三个融合蛋白，这在实验操作上很麻烦（尤其是对于多重基因靶向），从而使得基因靶向策略更加复杂。此外，基于TALE的KRAB与DNMT3A和DNMT3L结构域的融合导致基因沉默效率的长期低下。目前尚不清楚这些方法对于建立具有“遗传性”的基因沉默技术的通用性以及是否存在编写和维持可遗传表观遗传沉默程序所需的基因组特征。对此，一个合理的假设是：由单个失活Cas9融合蛋白组成的表观遗传编辑元件将有助于广泛地探索“可遗传”表观遗传基因沉默技术的实用性。

在最近发表在《Cell》杂志上的一项研究中，来自UCSF的Jonathan S. Weissman团队介绍了一种名为“CRISPRoff”的技术，包括其设计理念，开发过程和技术验证，CRISPRoff是一种可编程的表观遗传记忆编写器蛋白，可以持久抑制基因表达。

（图1，CRISPRoff介导的高通量，持续性基因沉默）

研究发现，CRISPRoff的瞬时表达编写了一种表观遗传程序，从而维持人类细胞450多次的细胞分裂，突显出这种形式的基因沉默是稳定且可遗传的。 CRISPRoff表观遗传记忆可以使用称为CRISPRon的多部分表观遗传编辑器进行逆转，该编辑器可特异性删除DNA的甲基化修饰并募集转录元件。

使用全基因组CRISPRoff筛选，作者证明了这种方法可以持久且特异性地沉默绝大多数蛋白质编码基因，并且具有广泛的靶向性。此外，对于CRISPRoff介导的稳定基因沉默而言，规范的CpG岛标签不是必需的。

最后，作者证明了CRISPRoff可用于在人类干细胞中介导沉默增强和工程化的基因沉默程序，这些程序在神经元的不断分化过程中持续存在。总而言之，该系统使研究者们能够广泛探索表观遗传沉默的生物学规则，并提供了一个强大的工具来控制基因表达，靶向增强子以及探索表观遗传的原理。（生物谷 Bioon.com）

原始出处：James K. Nuñez, Jin Chen, Greg C. Pommier. Genome-wide programmable transcriptional memory by CRISPR-based epigenome editing. Cell. (2021)DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.025

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