新型CRISPR扩展基因工程工具箱

在9月23日发表在《自然生物技术》（Nature Biotechnology）上的一项研究报告中，杜克大学Charles Gersbach副教授和Adrian Oliver博士后描述了如何首次成功地利用I类CRISPR系统(Class 1)，打开和关闭目标基因并编辑人类细胞中的表观基因组。

CRISPR-Cas是一种细菌防御系统，细菌使用RNA分子和CRISPR相关(Cas)蛋白靶向并破坏入侵病毒的DNA。随着研究人员学会了如何利用该工具来特异性靶向和编辑人细胞中的DNA，这一现象的发现和分子机制的重新利用掀起了基因组编辑革命。

CRISPR-Cas9是当今最常用的基因组编辑工具，被归类为第II类CRISPR系统(Class 2)。 第II类CRISPR系统在细菌界并不常见，但从理论上讲它们更易于操作，因为它们仅依赖一种Cas蛋白来靶向和切割DNA。

第1类CRISPR系统并不是那么简单，它依靠多种蛋白质在称为Cascade（CRISPR-associated complex for antiviral defense 抗病毒防御的CRISPR关联复合物）的复合物中共同作用来靶向DNA。结合靶后，Cascade募集Cas3蛋白来切割DNA。

Gersbach说：“如果看世界上所有细菌的单个CRISPR系统，将近90％是1类系统。” “ CRISPR-Cas是一个不可思议的生物技术工具源泉，但直到最近，每个人都只关注其中的一小部分。”

为了证明1类系统的功能，Oliver将基因激活子（activator）连接到了大肠杆菌I型Cascade复合体的特定位点，将该系统靶向结合到负责调控基因表达的基因启动子。因为实验中没有加入Cas3蛋白，所以没有切割DNA，也没有改变DNA序列。实验表明，Cascade激活子不仅能结合正确的位点，而且可以提高靶基因的水平（激活子activator作用），而且操作的准确性和特异性与CRISPR/Cas9相当。

Oliver使用来自另一种细菌菌株的I类Cascade复合物重复了该过程，该复合物在各种目标位点的活性更强大。实验还表明，可以将激活子（activator）替换为抑制子（repressor），从而关闭靶基因。研究人员再次强调了其准确性和特异性可与CRISPR/Cas9方法媲美。

Oliver说：“我们发现Cascade的结构非常模块化，可以在多个位置连接激活子或抑制子，这是可以改变人类细胞基因表达的一类重要工具。” “ Cascade的灵活性使它成为有前途的基因工程技术。”

Gersbach和Oliver与北卡罗莱纳州立大学的Rodolphe Barrangou教授和德国的Helmholtz感染研究中心Chase Beisel教授的合作，Barrangou是一位微生物学家，已经研究了各种CRISPR防御机制的自然生物学近二十年，而Beisel是一位化学工程师，他与Barrangou一起研究用1类CRISPR系统改造微生物。他们都很好奇是否可以像在Cas9中一样在人体细胞中使用1类CRISPR系统。

Gersbach说：“该项目的目的是探索CRISPR系统的多样性。” “在过去的十年中，已经有成千上万篇关于CRISPR-Cas9的论文，但是我们一直在不断学习有关它的新知识。通过这项研究，我们将这种思维方式应用到了其中的另外90％。”这将激发对1类CRISPR系统的新研究。

到目前为止，该团队已经证明，CRISPR 1类系统在准确性和应用方面可与CRISPR-Cas9媲美。他们未来的研究方向将探索了1类系统与2类系统之间性能有何差异，以及这些差异是否对其生物技术应用有帮助。

该团队还将研究1类系统是否能解决CRISPR-Cas研究遇到的挑战，特别是那些使CRISPR将来在治疗中应用变得复杂化的问题，例如对Cas蛋白的免疫反应、以及同时使用多种类型的CRISPR实现不同基因组编辑功能。

Gersbach说：“我们知道CRISPR可能对人类健康产生重大影响。”“但是我们仍处于了解如何使用CRISPR，它可以做什么以及我们可以使用哪些系统的开始。我们希望这个新工具将为基因工程的新领域提供支持。”

原文标题：

Targeted transcriptional modulation with type I CRISPR–Cas systems in human cells

转载标题：新型CRISPR扩展基因工程工具箱

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