一个新的CRISPR工具像电灯开关一样超越基因

CRISPR是革命性的。 这也很残酷。

基因编辑神童的经典版本从字面上将基因切成碎片只是为了将其关闭。 有效，是的。 但这就像将电线穿过碎纸机以关闭灯泡异常。 一旦电线被切断，就没有回头路可走了。

为什么不添加电灯开关呢？

本月，来自加利福尼亚大学旧金山分校（UCSF）的一个团队对CRISPR进行了重新构想。 新的CRISPR变种不是直接作用于基因-不可切除地切掉或交易所遗传字母-而是针对自然打开或关闭基因的生物机制。

翻译？ CRISPR现在可以“超越电灯开关”来控制基因，而无需直接接触它们。 它变得更好了。 新的工具CRISPRoff可以使一个基因沉默数百代，即使它的宿主细胞从干细胞变成更成熟的细胞（如神经元）也是如此。 一旦“睡美人”基因准备醒来，互补工具CRISPRon会重新打开电灯开关。

这项新技术“改变了游戏规则，所以现在您基本上是在写一个改变 [into genes] ”卢克·吉尔伯特（Luke Gilbert）博士说。 “在某些方面，我们可以学习创建更安全且有效的CRISPR-Cas9 2.0版。”

你在开玩笑。 如何？

症结是所谓的表观遗传学。 它是由化学物质和蛋白质组成的整个系统，控制着基因是打开还是关闭。

如果这听起来令人困惑，那么让我们从细胞内部的实际基因及其开启方式开始。 我所说的“开启”是指基因被制成蛋白质，即构成我们身体形态，控制我们的新陈代谢，并使我们随着人类的呼吸而滴答作响的物质。

基因被嵌入到DNA链内，而DNA链则非常紧密地点评在一种核心蛋白上，就像熏肉点评的芦笋一样。 为了打开基因，第一步是他们需要一堆蛋白质来轻轻地将DNA链从“芦笋”上拉出来，以便基因现在可以自由漂浮在它们的称为核的细胞太空胶囊内。

一旦那块培根DNA释放了，更多的蛋白质就会涌向该基因。 然后，它们会像割草机一样滚下基因的核苷酸（A，T，C和G）。 然而，这种生物“机器”没有覆盖，而是喷出了一个信使，告诉细胞开始制造蛋白质-mRNA。 （是的，制造某些Covid-19疫苗的原料相同。）mRNA指导我们细胞的蛋白质工厂开始生产，现在该基因已经打开

任何破坏该过程的因素都会破坏该基因转化为蛋白质的能力，从而将其关闭。 它的功能非常强大-因为一台表观遗传机器可以控制数百或数千个基因。 这是基因组的主电灯开关。

遗传记忆作家

该团队首先从拥有中性Cas9的CRISPR系统开始。 这意味着，通常与切割基因Cas9有关的蛋白质不能再切割DNA，即使被其他成分引导RNA“血猎犬”拴在正确的位置上也是如此。 然后，他们添加了一种蛋白质，该蛋白质与关闭此CRISPR版本的基因有关。

这是最智能部分：该蛋白质旨在劫持一个自然的表观遗传过程，以关闭基因。 基因通常通过称为“甲基化”的自然过程关闭。 通常，该过程在基因上是短暂且可逆的。 CRISPRoff指挥了这一过程，进而关闭了任何目标基因，但是关闭了更长的时间-并没有将基因物理撕裂。

得益于表观遗传学的“增强”能力，CRISPRoff使研究人员得以发展壮大。 在一项使用CRISPRoff针对永生化人类肾脏细胞内20,000多个基因的实验中，该团队能够可靠地关闭这些基因。

该团队对单向大街不满意，接下来设计出了类似的CRISPR变体，带有与表观遗传学相关的不同蛋白质，称为CRISPRon。 在皮氏培养皿内的细胞中，CRISPRon能够超越CRISPRoff，进而将基因超越。

研究作者乔纳森·韦斯曼博士（Jonathan Weissman）说：“我们现在有了一个简单的工具，可以使绝大多数基因沉默。” “我们可以同时对多个基因进行此操作，而不会造成任何DNA损伤……而且可以逆转。”

去远方

更疯狂的是，关闭开关持续了几代人。 当研究小组关闭与免疫系统相关的基因后，它持续了15个月-大约有450个细胞世代。

这些编辑还经历了一个根本的转变，即细胞从诱导性多能干细胞（iPSC）到神经元的过程。 iPSC通常以皮肤细胞开始，然后通过化学浴将其恢复为干细胞，然后再次航行成为神经元。 该过程通常消除表观遗传学变化。 但是令作者感到惊讶的是，CRISPRoff的影响力仍然通过转化而得以实现。 在一项实验中，研究小组发现，在iPSC中关闭一个与阿尔茨海默氏症有关的基因，也可以减少随后产生的神经元中编码的有毒蛋白质的数量。

魏斯曼说：“我们证明这是沉默Tau并阻止该蛋白表达的可行策略，”他强调了CRISPRoff以及通常控制表观基因组的一种改变药物的方法。

CRISPR 2.0

这不是有人第一次尝试使用CRISPR靶向表观基因组。 同一团队之前曾尝试过另一套尝试相同方法的CRISPR变体。 两者之间的区别在于时间和稳定性。 在以前的设置下，科学家们努力使“电灯开关”保持关闭只有一代人的时间。 新的基因组通过基因组的多个分裂和转化而保持任何变化都没有问题。

一个可靠的用于表观遗传学的CRISPR工具非常强大。 尽管我们有以相似方式起作用的药物，但它们的准确性远不如此，并且会产生一定的副作用。 然而，目前，CRISPRoff和CRISPRon仅在培养皿中的细胞中起作用，而实现基因组至上性的下一步将是确保它们在生物中起作用。

如果真是这样，它可能会永远改变基因编辑。 从合成生物学中的生物电路重编程到劫持或逆转疾病以预防疾病，表观遗传重编程提供了一种无需接触基因即可完成所有任务的方法，从而消除了突变的威胁，同时又导致了几代人的持久影响。

研究作者詹姆斯·努涅斯博士说：“我认为我们的工具确实使我们能够开始研究遗传力的机制，尤其是表观遗传力，这在生物医学科学中是一个巨大的问题。”

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