人體內(nèi)所有的組織都是由蛋白質(zhì)構(gòu)成的，每一種蛋白質(zhì)都是由人類基因組中一段DNA“編碼”的。

但是這些編碼區(qū)僅占基因組的大約百分之1，而分散在基因組中的其他百分之99的序列，參與了調(diào)節(jié)基因的表達，或決定哪些編碼區(qū)將被翻譯成蛋白質(zhì)，以及何時被翻譯。

1月25日在《Nature Biotechnology》雜志發(fā)表的一項研究中，麻省理工學(xué)院（MIT）和哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員描述了一種新的技術(shù)，可系統(tǒng)而有效地在長的基因組片段中尋找調(diào)控元件。在這項技術(shù)的第一次應(yīng)用過程中，他們發(fā)現(xiàn)了證據(jù)表明，當(dāng)前人們對于基因調(diào)控的看法是不完整的。 

本文資深作者、麻省理工學(xué)院電氣工程和計算機科學(xué)教授David Gifford說：“傳統(tǒng)的檢測方法是將基因組切成小片段，并探討它們是否足以推動基因的表達。這有兩個局限性。第一，可能一些事情足以激活基因，但這并不意味著它是必要的。反之亦然：如果有什么事情是必要的，它可能就不是充足的。所以這些實驗確實沒有揭示關(guān)于基因組DNA功能的完整故事。” 

Gifford補充說：“這些實驗的另一個問題是，它們并不是在天然的背景下完成的。就是說，切割的DNA片段并不位于基因組中正常的位置。我們想用一種直接的檢測法，揭示基因組序列在其原生環(huán)境中的必要性——在細胞中，它通常位于基因組中經(jīng)常逗留的位置。我們就在它發(fā)揮正常作用的位置突變它。” 

該研究的第一作者是Gifford課題組的博士后Nisha Rajagopal。哈佛醫(yī)學(xué)院研究員Richard Sherwood是共同資深作者。  了解基因表達譜分析服務(wù)的詳細信息 

未標記的路徑

在最近幾年，在基因組中確定調(diào)控元件的主要技術(shù)，一直是使用所謂的組蛋白標記。在細胞中，DNA通常被裹緊纏繞在組蛋白周圍。組蛋白的末端經(jīng)常有修飾——如乙?；蚣谆訄F的添加。 

這些修飾是組蛋白標記，某些標記似乎與基因表達的抑制或促進有關(guān)。生物學(xué)家找到攜帶這些標記的組蛋白，切出纏在它們周圍的DNA片段，并對DNA進行測序。當(dāng)他們在基因組圖譜中找到相應(yīng)的序列時，他們就可以開始仔細地進行有針對性的實驗，試圖找出調(diào)控元件。 

然而，麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的研究人員，已經(jīng)確定了在基因調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用的基因組區(qū)域，但之前這并沒有與組蛋白標記聯(lián)系起來。Gifford說：“科學(xué)總是經(jīng)歷一系列的假設(shè)。在我看來，這項研究表明，仔細考慮我們的假設(shè)，是很重要的。它沒有直接反駁假設(shè)，但在一定意義上，要求我們對‘對基因組功能來說什么是必需的’做進一步的探索。” 

Gifford及其研究小組開發(fā)的這項技術(shù)，是CRISPR基因編輯系統(tǒng)的一個應(yīng)用。CRISPR是一種切割DNA的方法。在這篇新論文中，研究人員對四個已知蛋白編碼區(qū)域中的每一個區(qū)域周圍的數(shù)萬個堿基對（或DNA字母），進行了徹底搜查。 

RNA引導(dǎo)

為了定期進行切割，研究者設(shè)計了4000個引導(dǎo)RNA——將CRISPR切割酶引導(dǎo)到基因組中正確位置的生物小分子。 

在實驗中，引導(dǎo)RNA是在細胞內(nèi)制造的。對于所有的引導(dǎo)RNA，研究人員構(gòu)建了DNA模板，細胞可自然吸收。平均而言，每一個DNA模板在大約1000個細胞中顯示出來。每個細胞都將一個DNA模板精確地轉(zhuǎn)化為引導(dǎo)RNA，這引導(dǎo)著CRISPR切割酶到達基因組中的特定位置。 

在每一個這樣的位置上，CRISPR酶會切割DNA。當(dāng)細胞試圖修復(fù)那些切口時，修復(fù)部位的DNA序列會變得混亂。在某些情況下，這種干擾會阻止細胞制造相應(yīng)的蛋白質(zhì)，從而說明功能區(qū)域的重要性。 

研究人員隨后進行了一組實驗，只靶定這些區(qū)域，以確定某些精確序列——其修飾會中斷蛋白質(zhì)的生產(chǎn)。在他們調(diào)查的四個蛋白質(zhì)編碼序列的每一段序列周圍，他們發(fā)現(xiàn)了大約1000個堿基對的片段，它們顯示出強烈的調(diào)控活性的跡象，但這些組蛋白標志以前沒有描述過。 

Gifford說，有可能是，這些片段僅存在于一小部分細胞中，并且，它們實際上與組蛋白標記有關(guān)；確定組蛋白修飾的標準技術(shù)，依賴于整個細胞群體的平均測量值，所以有可能錯過了異常值。Gifford、Rajagopal及其同事正在繼續(xù)調(diào)查這些區(qū)域，來確定它們當(dāng)中發(fā)生了什么。 

新年伊始，CRISPR技術(shù)的新應(yīng)用可謂是如雨后春筍，例如，加州大學(xué)任兵教授帶領(lǐng)的研究團隊，開發(fā)了基于CRISPR/Cas9的高通量篩選策略，并由此發(fā)現(xiàn)了一類新型增強子。而中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院賴良學(xué)課題組，則首次利用CRISPR技術(shù)直接調(diào)控內(nèi)源性基因表達，將胚胎干細胞分別誘導(dǎo)為胚外滋養(yǎng)層干細胞和原始內(nèi)胚層細胞，成功實現(xiàn)早期胚胎細胞之間的譜系轉(zhuǎn)換，研究結(jié)果發(fā)表于Nature子刊《Scientific Reports》。相信2016年將會是CRISPR技術(shù)繼續(xù)大放異彩的一年。