生物通報道  杜克大學的研究人員開發(fā)出了一種新方法，可以精確地控制基因開啟及激活的時間。借助這一新技術(shù)研究人員可通過化學操控包裝DNA的蛋白，來開啟特異的基因啟動子和增強子——控制基因活性的基因組片段。

研究人員說，擁有操控表觀基因組的能力將有助于他們探究特殊啟動子和增強子在細胞命運或遺傳病風險中所起的作用，并可能為基因治療及引導干細胞分化提供一條新途徑。

這項研究在線發(fā)表在4月6日的《自然生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）雜志上。

杜克大學生物醫(yī)學工程學助理教授Charles Gersbach說：“除了實際的遺傳序列，基因組的一切都與表觀基因組聯(lián)系在一起。在健康和疾病狀況下，表觀基因組和我們的DNA發(fā)揮同樣重要的作用，決定了細胞的功能。你想想我們有200多種細胞類型，每個細胞類型中的DNA幾乎都是一樣的，那么這一點就顯而易見了。表觀基因組決定了每個細胞激活哪些基因以及基因激活的程度。”

這樣的遺傳控制子是由組蛋白和一系列組蛋白或是DNA的化學修飾所構(gòu)成——幫助決定了基因是否開啟或關(guān)閉。

而Gersbach研究小組并沒有通過改變基因自身來實現(xiàn)控制。

Gersbach說：“緊挨著每個基因都有一段稱作為啟動子的DNA序列，它控制了基因的活性。也有許多稱作為增強子的其他基因組片段根本不靠近基因，但它們也同樣發(fā)揮至關(guān)重要的作用，影響了基因的活性。”

在過去的十年里，杜克大學生物統(tǒng)計學和生物信息學助理教授Timothy Reddy將大部分的時間都投入到了繪制整個人類基因組數(shù)百萬這樣的增強子的圖譜上。然而一直沒有一種很好的方法來確定每一個增強子的確切功能。一個增強子或許可以影響靠近的某個基因或是整個基因組的幾個基因——或是根本不影響任何基因。

為了激活這些增強子并了解它們的功能，Reddy想或許他可以采用化學方法改變增強子處的組蛋白來開啟它們。

Reddy說：“盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些可以影響整個基因組增強子的藥物，但這就像‘焦土’政策。我想開發(fā)一些工具能夠在特定的位點插入及改變非常特異的表觀遺傳標記，從而闡明每個增強子的功能。”

通過與杜克大學基因組和計算機生物學中心的Gersbach合作，Reddy找到了這種特異性。Gersbach專門研究稱作為CRISPR的基因靶向系統(tǒng)。最初是作為細菌的一種天然抗病毒系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)，在過去的幾年里研究人員劫持了這一CRISPR系統(tǒng)，現(xiàn)在它被應(yīng)用來切割和粘貼人類基因組中的DNA序列（延伸閱讀：清華大學Cell子刊發(fā)表CRISPR研究重要成果 ）。

為了實現(xiàn)這一表觀基因組編輯應(yīng)用，Gersbach沉默了CRISPR的DNA切割機制，僅利用它作為靶向系統(tǒng)傳送一種乙酰轉(zhuǎn)移酶到特異啟動子和增強子處。

“這就像我們使用CRISPR找到了一處遺傳地址，因此我們可以在特異位點改變DNA的包裝，”Reddy說。

Gersbach和Reddy通過靶向少數(shù)幾個充分研究的基因啟動子和增強子，對他們的一些人工表觀遺傳藥物進行了測試。盡管很早以前這些組蛋白修飾就與基因活性聯(lián)系在一起，然而人們并不清楚它們是否足以開啟基因。雖然過去Gersbach和Reddy曾使用其他的技術(shù)激活了基因增強子，但卻未能成功激活增強子。

讓二人感到極為驚喜的是，藥物不僅激活了一些基因啟動子，相比于以往的方法還更好地開啟了鄰近的基因。同樣令人驚訝的是，它也對增強子起作用：通過靶向基因組遙遠位點的一些增強子他們可以開啟一個基因或甚至是一些基因家族——這是他們從前的基因活化劑無法做到的事情。

而他們的研究結(jié)果真正令人興奮之處在于，獲得了一種新能力可以前所未有的方式探索數(shù)百萬的潛在增強子。

研究的第一作者、Gersbach實驗室博士后研究人員Isaac Hilton說：“一些遺傳疾病是簡單明了的——如果一個特定基因發(fā)生突變，那么你就會罹患疾病。但像癌癥、心血管疾病或神經(jīng)退行性疾病等許多疾病有著更為復雜的遺傳組成。基因組序列中許多不同的變異可以影響你的疾病風險，并且這樣的遺傳變異可能發(fā)生在Tim發(fā)現(xiàn)的這些增強子中，在那里它們可以改變基因表達水平。有了這一技術(shù)，我們可以探究它們的確切功能以及它們與疾病或藥物治療反應(yīng)的相關(guān)性。”

Gersbach補充說：“你不僅可以開始解答這些問題，或許還能夠?qū)⑦@一技術(shù)用于基因治療來激活通常沉默的基因，或是控制干細胞變?yōu)椴煌�細胞類型的途�?jīng)。這是未來我們將追尋的所有方向。”

（生物通：何嬙）

生物通推薦原文索引：

"Epigenome editing by a CRISPR-Cas9-based acetyltransferase activates genes from promoters and enhancers," Isaac B Hilton, Anthony M D'Ippolito, Christopher M Vockley, Pratiksha I. Thakore, Gregory E Crawford, Timothy E Reddy, Charles A Gersbach. Nature Biotechnology, April 6, 2015. DOI: 10.1038/nbt.3199