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微藻表观遗传调控机制及CRISPR/dCas9技术最新进展研究，系统阐述DNA甲基化与组蛋白修饰在代谢调控中的作用，分析CRISPRa/i技术实现可逆精准基因表达的原理，指出递送效率与脱靶效应等挑战，提出未来发展方向。
孟峰|张家琪|李伟
中国海南省海口市海南师范大学生命科学学院，热带岛屿生态学教育部重点实验室，海南省热带动植物生态学重点实验室，571158
摘要
微藻是一类具有重大生态和经济意义的光合微生物，其在生物能源生产和高价值生物制品合成方面具有巨大潜力。然而，大规模工业应用仍受到传统基因编辑方法效率低下和不可逆性的限制。本文系统地探讨了微藻中的表观遗传调控机制，重点介绍了CRISPR/dCas（规律间隔短回文重复序列/死亡CRISPR相关蛋白9）系统等表观基因组编辑技术的最新进展，包括CRISPR激活（CRISPRa）和CRISPR干扰（CRISPRi）。这些方法通过精确修改DNA甲基化和组蛋白修饰等表观遗传标记，实现基因表达的可逆调控，而无需改变DNA序列。尽管在递送效率和脱靶效应方面仍存在挑战，但表观基因组编辑代表了一种有前景的精准调控策略，可能克服微藻遗传改良中的长期障碍，并加速其工业化进程。
引言
微藻包含多种进化上的不同谱系，从原核蓝细菌到真核绿藻、红藻、硅藻和甲藻（Khan等人，2020年）。这种广泛的系统发育多样性使得微藻具有独特的表观遗传机制和调控功能（Kim等人，2015年）。这种多样性也导致其与多细胞植物和动物中观察到的保守表观遗传系统存在显著差异。在高等生物中，表观遗传机制主要与发育分化和复杂性状的调控相关。而在单细胞微藻中，表观遗传状态直接控制生理反应和代谢产物，包括脂质和多糖的生物合成（Leung等人，2022年）。
近年来，表观遗传学研究表明，DNA甲基化和组蛋白修饰等机制在调节微藻基因表达和介导环境适应中起着关键作用。与传统基因编辑不同，表观基因组编辑技术能够在不改变DNA序列的情况下精确调控基因表达，为微藻遗传改良提供了新的策略。目前，基于CRISPR/dCas9的表观基因组编辑系统在微藻领域取得了显著进展，包括CRISPR激活（CRISPRa）和CRISPR干扰（CRISPRi）的成功应用。尽管表观基因组编辑在微藻研究中展现出广阔的应用前景，但仍面临一些挑战，如递送效率低、潜在的脱靶效应以及表观遗传修饰的稳定性和可逆性。本文总结了过去十年微藻表观遗传调控和表观基因组编辑工具包的进展，重点介绍了基于CRISPR/dCas的系统在微藻表观基因组调控中的开发与应用，并对未来微藻表观基因组编辑的方向进行了展望。
章节摘录
微藻
微藻是一类结构多样、分布广泛的微生物。主要物种包括蓝细菌（如螺旋藻属）、莱茵衣藻和盐沼杜氏藻。微藻富含蛋白质、脂质、碳水化合物、维生素和矿物质等必需营养素，被广泛用于膳食补充剂和功能性食品的生产（Cao等人，2024年）。例如，螺旋藻和平凡小球藻因其营养价值而受到广泛关注。
表观遗传调控机制
表观遗传学是指在不改变DNA序列的情况下调节基因表达的过程（Heard & Martienssen，2014年）。在微藻中，表观遗传调控通过DNA甲基化和组蛋白修饰等机制实现。微藻多样的表观基因组为探索表观遗传修饰与基因表达之间的关系提供了机会，有助于它们适应不同的环境。
表观基因组编辑工具包
近年来，表观基因组编辑已成为精确调控基因的强大工具。通过利用表观遗传机制，该技术利用基因特异性靶向系统和效应蛋白来改变目标基因的表观遗传景观，从而实现其激活或抑制（Hilton等人，2015年）。锌指（ZF）蛋白、转录激活因子样效应蛋白（TALEs）以及规律间隔短回文重复序列/催化失活或“死亡”Cas9等工具被用于表观基因组编辑。
DNA递送挑战
在微藻中成功应用先进的遗传工具很大程度上取决于将大分子生物活性物质（如CRISPR核糖核蛋白和表观基因组编辑复合物）高效递送到细胞内。然而，微藻细胞壁构成了这一过程的主要障碍。其复杂的组成和物种特异性限制了外源物质的吸收。尽管当前的递送方法已经推动了遗传工程的早期进展，但仍存在不足。
结论
表观遗传机制在微藻的环境适应和生理调控中起着核心作用。本文系统总结了过去十年该领域的关键进展，说明了DNA甲基化和组蛋白修饰等表观遗传标记如何形成复杂的调控网络，精确指导微藻的生理状态和代谢流程。CRISPR/dCas9系统（包括CRISPRi和CRISPRa）的发展使得这种调控更加精确和可逆。
CRediT作者贡献声明
孟峰：撰写初稿。张家琪：审稿与编辑。李伟：资源获取与资金支持。
伦理审批和参与同意
本文不涉及任何涉及人类参与者或动物的研究，因此无需伦理审批和参与同意。
材料可用性
本文不涉及任何特定材料，因此材料可用性不适用。代码可用性
本文未使用任何自定义代码，因此代码可用性不适用。资金支持
本研究得到了中国自然科学基金（项目编号：32160020、32360022）以及海南省院士创新平台（项目编号：YSPTZX202130）的支持。利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
