合成工具dCas9在DNA中传递信息

生物工程师利用失活的Cas9融合蛋白合成控制基因表达，揭示了人类细胞自然过程的新细节。

　　

   

   

莱斯大学的生物工程师正在使用失活的Cas9蛋白靶向人类基因组的关键片段，并人工触发人类基因的转录。    

莱斯大学的研究人员已经证明，CRISPR-Cas9作为一种越来越出名的基因编辑工具，可以在人类细胞中以更强大的方式使用。

由莱斯大学生物工程师艾萨克斯·希尔顿(Isaac Hilton)和研究生王开元(Kaiyuan Wang)领导的团队使用失活Cas9 (dCas9)蛋白靶向人类基因组的关键片段，并合成触发人类基因的转录。

通过使用dCas9招募可以自然启动基因的蛋白质，、团队能够揭示人类启动子和增强子的重要细节——我们的DNA片段在何时以及在何种程度上启动，从而控制我们细胞的行为。

Hilton说:“我们正在使用这些合成生物学工具来提高基因表达和人类细胞编程的能力，从而更好地理解我们的基因是如何自然工作的。这些类型的研究很重要，因为从长远来看，这些知识和技术能力可以实现更好的基因和细胞治疗和生物技术。”

Hilton表示，《Nucleic Acids Research》的研究突出了基于CRISPR-Cas9的工具在合成基因控制和细胞工程方面日益增长的潜力。该团队的策略也证明了dCas9影响和理解使人类基因组充满活力的表观遗传因素的力量。

“我们的基因组中只有大约2%包含蛋白质编码基因，剩下的98%是所谓的非编码DNA，”Hilton说。“增强子和启动子是我们非编码基因组的关键部分，尽管绝大多数这些元素不会产生传统基因，但在非编码DNA中有令人着迷的遗传变异。这种变化给了我们巨大的多样性，使我们的物种既惊人又适应能力强。

“然而，非编码DNA的遗传变异也与许多疾病密切相关，甚至这些区域的细微差异也可能与病理有关，”他说。“一个紧迫的挑战是，通常很难确定这些差异如何影响疾病的发作和治疗。

Hilton说:“我们的目标和希望是，像我们这样的技术和方法可以帮助研究人员进一步建立这些重要的联系，并最终预测和深思熟虑地干预疾病。”

通过合成激活非编码DNA，研究人员展示了启动子(标记基因起始位点的短DNA序列)和增强子如何交流。值得注意的是，增强子与启动子之间可能有数千个碱基对的距离，但可以通过招募激活子蛋白和与相关启动子形成直接的物理接触来刺激基因转录。

“增强子有时也会产生被称为增强子RNA (eRNAs)的神秘转录本，”Hilton说。“Kai表明，CRISPR技术可以用来打开这些eRNAs，在某些情况下，这促进了一种基因组跟踪，其中增强子可以随着DNA一起参与下游启动子。

他说:“似乎在这个过程中，重要的转录和表观遗传信息会被储存下来。令人兴奋的是，这些信息可以作为一种基因表达书签，在一种积极的表观遗传反馈中加强后续的转录。”

他们的策略揭示了增强子和促进子可以有“内在的互惠”。虽然他们知道信号可以从增强子传递到启动子，但他们知道这种传递也可以反向进行。

“我们看到调控从启动子到上游增强子都在发生，”Wang说。“机械地说，这被认为是不规范的，因此相当令人惊讶。”

他们还发现，CRISPR激活子可以增加增强子和启动子之间身体接触的频率，但只有针对增强子时才会如此，这表明增加身体接触是一条单行道。

Hilton说:“我们现在知道，这些DNA片段可以向两个方向发送信息，但似乎有一个重要的方面是身体接触的方向性。这当然是相互的，但似乎这里的主要调控模式是增强子追踪到相应的启动子或启动子。”

研究人员表示，他们的研究之所以成为可能，是因为CRISPR-Cas9的进展。“如果没有这些基因组靶向工具，我们将不得不使用其他更具侵入性和破坏性的合成方法，比如敲除或对调控元件进行基因改造，”Wang说。“我们的方法更容易从表观遗传学上劫持或改造原生细胞机制，从而精确理解和设计基因是如何被控制的。”

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