CRISPR后起之秀：“20,000個平行實驗”發現增強子

　　我們人體每個細胞的基因組中都有大致相同的22,000個基因，但每個細胞采用的都是這些基因的不同組合，根據不同的需求開啟或關閉某個基因。就是這些基因的表達以及抑制模式決定了細胞會成為什么細胞，是腎臟細胞，腦細胞，皮膚細胞，還是心臟細胞。

　　要想操控這些轉換模式，我們的基因中就必須有調節序列，比如“增強子”，這種序列可能會離它所調控的基因十萬八千里，但是在有信號輸入的時候，就會激活基因，令其大量表達。也就是說增強子就像一個基因的說明書，決定著何時何地打開一個基因。

　　最開始大家都以為是“垃圾”DNA的基因組“暗物質”近年來備受關注，增強子就是其中之一，其中一個很重要的原因就在于科學家們發現如果增強子出錯，那么就會導致細胞功能紊亂，引發疾病，毫無疑問這是一個熱點，然而這個熱點并不好研究，因為調控區域只在特定的細胞中，在特定的情況下才發揮作用，難以定位。

　　不過話說回來，奇景出自陡途，不容易取得的目標才能實現所想所愿。來自加州大學舊金山分校的一組研究人員修改了現有的基因編輯CRISPR技術，用以來尋找增強子，他們的方法并不是編輯增強子，令其發揮作用，而是利用一種稱為CRISPRa（CRISPR activation）的工具，搜尋影響T細胞免疫細胞發育的一種基因的增強子。這項研究發現將有助于解析自身免疫疾病，如炎性腸病（IBD）和克羅恩病的病理機制。

　　這一研究成果公布在8月30日的Nature雜志上，由加州大學舊金山分校的Alexander Marson博士，以及加州大學伯克利分校的Jacob Corn博士這兩位助理教授領導完成。這兩位科研人員是隨著CRISPR技術共同成長的一批科學家，他們曾參與發表了多項CRISPR重要研究，比如Alexander Marson曾領導完成設計出了一種基于基因組編輯系統CRISPR/Cas9的新策略來精確改造人類T細胞，為開展T細胞功能研究提供了一個萬能的新工具；Jacob Corn對CRISPR-Cas9技術做出重大改進，在用一段短DNA片段替代另一段DNA時獲得了高達60%的前所未有的成功率。

　　對于最新這項成果，Corn表示，“我們不僅可以找到這些調控區域，而且這種操作快速輕松。此前幾年間也才找到一個，而現在只需要幾個月就能找到幾個了。”

　　CRISPRa尋找增強子

　　CRISPR的出現幫助研究人員在理解蛋白編碼基因方面取得了快速進展。最常用的CRISPR應用就是利用Cas9酶根據“導向RNA”指向的特殊序列剪切DNA，利用這一技術，科學家可以對任何基因進行切割或編輯，并觀察這些變化如何影響細胞或整個生物體。

　　但是直接編碼蛋白質的序列其實只占我們基因組的2％。其余98％的基因組區域屬于增強子，還有其它的調控DNA元件，這些不容易究，但又與大量遺傳疾病有關。科學家可以根據這些元件如何與結合DNA的蛋白相互作用來尋找潛在的增強子序列，然而要弄清楚哪些增強子作用于哪些基因，可以說是難上加難，一般簡單地用CRISPR-Cas9切除增強子并沒有太大幫助，因為如果這個增強子在這個實驗中使用的特殊細胞類型中不發揮作用，那么就不會有明顯的效果。

　　比如此前Whitehead研究所的研究人員利用了CRISPR調查了定位在一個假定SNCA增強子中的、兩個GWAS標記的風險變異。他們通過CRISPR/Cas9將一些突變編入到同基因型人類多能干細胞中。通過改變一條染色體上的這一遺傳變異，留下了另一條染色體保持不變，充當內部對照。

　　這個過程只能分析一兩個突變，如果我們將人體基因組看作是一個樣板房，那么就會有22,000個燈泡（基因）和成千上萬個開關（增強子），逐一分析每個開關對應于哪些燈泡，何時打開和關閉，可謂是一個浩瀚工程。

　　之前的CRISPR研究就是用于切斷電線，尋找那些會導致燈泡變暗的電線，從而了解了電路部分。但是，關閉切斷一個開關并不能說明具體的情況，因此要想燈泡的開關，還是需要模擬激活增強子的化學信號線索。

　　利用最新的這一技術，“你可以快速地找到一個增強子，”文章第一作者之一，博士后Benjamin Gowen說。

　　催化失活的Cas9（dCas9）連上轉錄激活子，可以有效促進基因組特定位點的轉錄，這一由加州大學舊金山分校開發的工具被稱為CRISPRa。cDNA過表達是上調個別基因的表達水平的常用方法。與這種方法相比，CRISPRa使用起來更加簡單，而且可以同時激活多個基因。

　　哈佛大學的著名遺傳學家George Church也構建了改良版的CRISPRa。人們在基因表達研究中，主要還是一次針對一個基因。Church領導的研究團隊將三個活化結構域（VP64、p65、Rta）連接起來，然后融合到dCas9的末尾。研究顯示，Church的系統可以揭示一連串基因回路對生物過程的影響，也可以精確指導干細胞分化，生成再生醫學所需的移植器官。