文 | 黎元

以CRISPR/Cas9系统为代表的基因组编辑工具在发挥功能时需要改变DNA序列，往往面临着脱靶导致的安全性问题。

越来越多的研究证明，在病毒感染和癌症中，表观基因组发挥着核心作用。表观遗传通过DNA甲基化影响基因表达，当甲基基团标签被贴在DNA上时，可导致基因沉默，而且表观基因组与基因组一样具有可遗传性。

4月9日，在Cell杂志发表的一篇论文中，来自美国加州大学旧金山分校和麻省理工学院的研究人员开发了一种新型表观遗传基因组编辑工具 "CRISPRoff "，这一工具能在不改变遗传密码的情况下沉默人类细胞中几乎所有的基因。这种沉默会在细胞的后代中保持数百代，且具有可逆性，在使用另一种“CRISPRon”工具后可以重新激活被沉默的基因。

来源：Cell

CRISPR系统之所以能成为有效的基因编辑工具，要归功于其中两个重要的功能组件：一个是行DNA剪切功能的DNA内切酶。另一个是归巢装置，能发挥特异性寻靶功能，可以精确控制编辑位置。

为了构建作用于表观基因组的CRISPRoff，研究人员保留了CRISPR的归巢装置，去除了DNA切割酶功能，然后再为其增添一种能作用于表观基因组的酶。两种CRISPRoff工具中，CRISPRoff-V2的沉默作用更强大。

来源：Cell

研究人员利用这一工具靶向沉默内源性CLTA基因，观测了表观遗传记忆的持久性，并检测了CLTA在单细胞克隆中的表达。结果表明，这一基因不仅在被处理的细胞中保持沉默，而且在转染后15个月或经历450代细胞分裂后，38个克隆（共39个）中的CLTA基因均依然能保持沉默。

来源：Cell

除了持久性方面的优异特性，CRISPRoff还具有可逆性，使用另一种CRISPRon工具可以去除CRISPRoff编入的甲基化标记，重新激活被沉默的基因，实现使这一过程的完全可逆化。

CRISPRon逆转基因沉默（来源：Cell）

传统观点认为，甲基化只能沉默CpG岛（CGI）中的胞嘧啶，而近三分之一的人类基因缺乏CpG岛，因此研究人员怀疑约有30%的人类基因对新工具没有反应。但CRISPRoff的表现却推翻了这一观点，CRISPRoff的表观遗传编辑并不局限于具有典型CpG岛的基因，也能够沉默没有CpG岛结构的基因。

CRISPRoff沉默没有CpG岛结构的基因（来源：Cell）

最后，研究人员在诱导多能干细胞中探究了CRISPRoff的治疗潜力。虽然表观基因组会在干细胞分化为成熟细胞的过程中发生适应性变化，但研究人员观察到，在被CRISPRoff沉默了某个基因的干细胞所分化的细胞中，有90%依然保持着由CRISPRoff编码的基因沉默。

在iPSC、iPSC分化的神经元中的CRISPRoff基因沉默（来源：Cell）

这表明CRISPRoff仅需一次给药即可实现持久的治疗，体现了CRISPRoff巨大的治疗潜力。

总的来说，这种可编程的表观基因组编辑是可调、可逆的，无需切割DNA，从而有效地避免了与基因编辑相关的细胞毒性。但研究人员也指出，全部的治疗潜力仍需进一步的工作来实现。

参考资料：

[1] James Nuñez et al. Genome-wide programmable transcriptional memory by CRISPR-based epigenome editing. Cell (2021)

[2] New CRISPR Technology Offers Unrivaled Control of Epigenetic Inheritance（来源：UCSF）