3月7日，Nature網(wǎng)站發(fā)表了一篇題為“CRISPR: gene editing is just the beginning”的文章，在這一長篇新聞特稿中Nature指出基因編輯只是CRISPR技術(shù)應(yīng)用的一個起點(diǎn)，這一生物工具的真正能力在于探索基因組的運(yùn)作機(jī)制。并為我們介紹了近年發(fā)布在Nature、Science、Cell三大頂級期刊及子刊上那些重大的CRISPR技術(shù)成果及應(yīng)用。

CRISPR破解密碼

DNA上的表觀遺傳修飾并非唯一有待破解的基因組密碼。超過98%的人類基因組不編碼蛋白質(zhì)。但研究人員認(rèn)為，相當(dāng)一部分的這類DNA做著重要的事情，他們正在采用CRISPR–Cas9來闡明那是什么。

一些DNA編碼了諸如microRNAs和長鏈非編碼RNA一類的RNA分子——人們認(rèn)為它們具有合成蛋白質(zhì)以外的功能。另一些序列是可以按要求放大基因表達(dá)的“增強(qiáng)子”。大多數(shù)與常見病風(fēng)險有關(guān)聯(lián)的DNA序列定位在包含非編碼RNA和增強(qiáng)子的基因組區(qū)域中。但在CRISPR–Cas9之前，研究人員很難弄清楚這些序列的功能。波士頓兒童醫(yī)院血液學(xué)家Daniel Bauer說：“我們沒有好的方法從功能上注釋這些非編碼基因組?，F(xiàn)在我們的實(shí)驗(yàn)更加的精細(xì)。”

南加州大學(xué)分子生物學(xué)家Peggy Farnham和同事們利用CRISPR–Cas9刪除在前列腺癌和大腸癌基因組研究中發(fā)現(xiàn)的突變增強(qiáng)子區(qū)域。有時候研究結(jié)果讓她感到吃驚。在一項(xiàng)沒有發(fā)布的實(shí)驗(yàn)中，她的研究小組刪除了一個過去認(rèn)為很重要的增強(qiáng)子，在它的100萬個堿基中沒有一個基因改變了表達(dá)。“我們通常分類一種調(diào)控元件影響力的方式與你刪除這一元件時發(fā)生的事情并不符。”

當(dāng)研究人員利用CRISPR–Cas9來探究大片段的調(diào)控DNA時有可能會出現(xiàn)更多的驚喜。由麻省理工學(xué)院（MIT）的遺傳David Gifford和Brigham婦女醫(yī)院的Richard Sherwood領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用這一技術(shù)在一段4萬個堿基的序列上制造了突變，隨后檢測了是否每種改變會對鄰近的熒光蛋白編碼基因造成影響。由此生成了一張?jiān)鰪?qiáng)基因表達(dá)的DNA序列圖譜，包括幾個基于基因調(diào)控特征如染色質(zhì)修飾未預(yù)測到的序列（CRISPR新應(yīng)用：尋找基因調(diào)控元件 ,High-throughput mapping of regulatory DNA.Nature Biotechnology 34, 167–174 (2016) doi:10.1038/nbt.3468）。

深入研究這種暗物質(zhì)面臨著挑戰(zhàn)，即便是采用CRISPR–Cas9。Cas9酶將會切割向?qū)?/span>RNA告知它的位點(diǎn)，但前提是有一條特異且常見的DNA序列在切割位點(diǎn)的附近。對于想沉默基因的研究人員來說困難不大，因?yàn)檫@些重要的序列幾乎總是存在于基因內(nèi)的某個地方。但對于那些想對短鏈非編碼RNAs完成非常特異的改變的人來說則選擇有限。荷蘭癌癥研究所研究人員Reuven Agami說：“我們無法獲得任何的序列。”

研究人員正在搜索細(xì)菌王國尋找Cas9酶的近親來識別不同的序列。去年，麻省理工和哈佛大學(xué)Broad研究所生物工程師張鋒（Feng Zhang），描繪了一個叫做Cpf1的酶家族的特征，Cpf1以與Cas9相似的方式發(fā)揮作用，能夠擴(kuò)大序列選擇（張鋒Cell：新一代CRISPR基因組編輯系統(tǒng) ,Cpf1 Is a Single RNA-Guided Endonuclease of a Class 2 CRISPR-Cas System.Cell.Volume 163, Issue 3, p759–771, 22 October 2015）。但Agami指出到目前為止只發(fā)現(xiàn)很少的替代酶與最流行的Cas9一樣起作用。在未來，他希望能夠有很多的酶可以靶向基因組中的任何位點(diǎn)。“我們現(xiàn)在還沒有做到，”他說。