以CRISPR/Cas9系統(tǒng)為代表的基因組編輯工具在發(fā)揮功能時需要改變DNA序列，往往面臨著脫靶導致的安全性問題。
越來越多的研究證明，在病毒感染和癌癥中，表觀基因組發(fā)揮著核心作用。表觀遺傳通過DNA甲基化影響基因表達，當甲基基團標簽被貼在DNA上時，可導致基因沉默，而且表觀基因組與基因組一樣具有可遺傳性。
4月9日，在Cell雜志發(fā)表的一篇論文中，來自美國加州大學舊金山分校和麻省理工學院的研究人員開發(fā)了一種新型表觀遺傳基因組編輯工具 "CRISPRoff "，這一工具能在不改變遺傳密碼的情況下沉默人類細胞中幾乎所有的基因。這種沉默會在細胞的后代中保持數(shù)百代，且具有可逆性，在使用另一種“CRISPRon”工具后可以重新激活被沉默的基因。
CRISPR系統(tǒng)之所以能成為有效的基因編輯工具，要歸功于其中兩個重要的功能組件：一個是行DNA剪切功能的DNA內切酶。另一個是歸巢裝置，能發(fā)揮特異性尋靶功能，可以精確控制編輯位置。
為了構建作用于表觀基因組的CRISPRoff，研究人員保留了CRISPR的歸巢裝置，去除了DNA切割酶功能，然后再為其增添一種能作用于表觀基因組的酶。兩種CRISPRoff工具中，CRISPRoff-V2的沉默作用更強大。
來源：Cell
研究人員利用這一工具靶向沉默內源性CLTA基因，觀測了表觀遺傳記憶的持久性，并檢測了CLTA在單細胞克隆中的表達。結果表明，這一基因不僅在被處理的細胞中保持沉默，而且在轉染后15個月或經(jīng)歷450代細胞分裂后，38個克?。ü?9個）中的CLTA基因均依然能保持沉默。
來源：Cell
除了持久性方面的優(yōu)異特性，CRISPRoff還具有可逆性，使用另一種CRISPRon工具可以去除CRISPRoff編入的甲基化標記，重新激活被沉默的基因，實現(xiàn)使這一過程的完全可逆化。
CRISPRon逆轉基因沉默（來源：Cell）
傳統(tǒng)觀點認為，甲基化只能沉默CpG島（CGI）中的胞嘧啶，而近三分之一的人類基因缺乏CpG島，因此研究人員懷疑約有30%的人類基因對新工具沒有反應。但CRISPRoff的表現(xiàn)卻推翻了這一觀點，CRISPRoff的表觀遺傳編輯并不局限于具有典型CpG島的基因，也能夠沉默沒有CpG島結構的基因。
CRISPRoff沉默沒有CpG島結構的基因（來源：Cell）
終末，研究人員在誘導多能干細胞中探究了CRISPRoff的治療潛力。雖然表觀基因組會在干細胞分化為成熟細胞的過程中發(fā)生適應性變化，但研究人員觀察到，在被CRISPRoff沉默了某個基因的干細胞所分化的細胞中，有90%依然保持著由CRISPRoff編碼的基因沉默。
在iPSC、iPSC分化的神經(jīng)元中的CRISPRoff基因沉默（來源：Cell）
這表明CRISPRoff僅需一次給藥即可實現(xiàn)持久的治療，體現(xiàn)了CRISPRoff巨大的治療潛力。
總的來說，這種可編程的表觀基因組編輯是可調、可逆的，無需切割DNA，從而有效地避免了與基因編輯相關的細胞毒性。但研究人員也指出，全部的治療潛力仍需進一步的工作來實現(xiàn)。
參考資料：
[1] James Nu?ez et al. Genome-wide programmable transcriptional memory by CRISPR-based epigenome editing. Cell (2021)
[2] New CRISPR Technology Offers Unrivaled Control of Epigenetic Inheritance（來源：UCSF）
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