Nature：利用CRISPR破解基因组密码

 3月7日，Nature网站发表了一篇题为“CRISPR: gene editing is just the beginning”的文章，在这一长篇新闻特稿中Nature指出基因编辑只是CRISPR技术应用的一个起点，这一生物工具的真正能力在于探索基因组的运作机制。并为我们介绍了近年发布在Nature、Science、Cell三大顶级期刊及子刊上那些重大的CRISPR技术成果及应用。

CRISPR破解密码

DNA上的表观遗传修饰并非唯一有待破解的基因组密码。超过98%的人类基因组不编码蛋白质。但研究人员认为，相当一部分的这类DNA做着重要的事情，他们正在采用CRISPR–Cas9来阐明那是什么。

一些DNA编码了诸如microRNAs和长链非编码RNA一类的RNA分子——人们认为它们具有合成蛋白质以外的功能。另一些序列是可以按要求放大基因表达的“增强子”。大多数与常见病风险有关联的DNA序列定位在包含非编码RNA和增强子的基因组区域中。但在CRISPR–Cas9之前，研究人员很难弄清楚这些序列的功能。波士顿儿童医院血液学家Daniel Bauer说：“我们没有好的方法从功能上注释这些非编码基因组。现在我们的实验更加的精细。”

南加州大学分子生物学家Peggy Farnham和同事们利用CRISPR–Cas9删除在前列腺癌和大肠癌基因组研究中发现的突变增强子区域。有时候研究结果让她感到吃惊。在一项没有发布的实验中，她的研究小组删除了一个过去认为很重要的增强子，在它的100万个碱基中没有一个基因改变了表达。“我们通常分类一种调控元件影响力的方式与你删除这一元件时发生的事情并不符。”

当研究人员利用CRISPR–Cas9来探究大片段的调控DNA时有可能会出现更多的惊喜。由麻省理工学院（MIT）的遗传David Gifford和Brigham妇女医院的Richard Sherwood领导的研究小组利用这一技术在一段4万个碱基的序列上制造了突变，随后检测了是否每种改变会对邻近的荧光蛋白编码基因造成影响。由此生成了一张增强基因表达的DNA序列图谱，包括几个基于基因调控特征如染色质修饰未预测到的序列（CRISPR新应用：寻找基因调控元件 ,High-throughput mapping of regulatory DNA.Nature Biotechnology 34, 167–174 (2016) doi:10.1038/nbt.3468）。

深入研究这种暗物质面临着挑战，即便是采用CRISPR–Cas9。Cas9酶将会切割向导RNA告知它的位点，但前提是有一条特异且常见的DNA序列在切割位点的附近。对于想沉默基因的研究人员来说困难不大，因为这些重要的序列几乎总是存在于基因内的某个地方。但对于那些想对短链非编码RNAs完成非常特异的改变的人来说则选择有限。荷兰癌症研究所研究人员Reuven Agami说：“我们无法获得任何的序列。”

研究人员正在搜索细菌王国寻找Cas9酶的近亲来识别不同的序列。去年，麻省理工和哈佛大学Broad研究所生物工程师张锋（Feng Zhang），描绘了一个叫做Cpf1的酶家族的特征，Cpf1以与Cas9相似的方式发挥作用，能够扩大序列选择（张锋Cell：新一代CRISPR基因组编辑系统 ,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指出到目前为止只发现很少的替代酶与最流行的Cas9一样起作用。在未来，他希望能够有很多的酶可以靶向基因组中的任何位点。“我们现在还没有做到，”他说。