基因编辑技术CRISPR近期研究进展
来源：GENEWIZ
CRISPR基因编辑技术是生命科学领域的一个热点话题，该技术的兴起也使基因编辑领域得到了飞跃的发展。那么，过去的一个多月，都有哪些重大研究发现呢？
1“魔剪”CRISPR：创建最小记录仪
哥伦比亚大学Harris H. Wang教授的团队创建了TRACE（temporal recording in arrays by CRISPR expansion）系统，成功将CRISPR/Cas改造成了一种微型记录仪，为开发细菌细胞用于疾病诊断和环境监测等用途的新技术奠定了基础。
研究人员先是改造了一种质粒（可称为记录质粒），使其能在响应外部信号时可以创建更多的自身拷贝；同时，使用另一个可独立表达CRISPR-Cas系统组件的质粒记录和标记时间。
TRACE系统（图片来源：《Science》）
当没有外部信号时，只有记录质粒活动，细胞会将这些间隔序列拷贝插入基因组CRISPR位点；当添加外部信号时，另一个质粒也被激活，导致其序列也被插入。这样，CRISPR位点便可记录细胞活动的时间和信号序列。研究发现，该系统至少能处理三个同步信号并储存数天的数据信息。
2sgRNA化学修饰，无病毒基因编辑
CRISPR技术大多以人工改造过的病毒为载体，如腺相关病毒（AAV），然而，正如《Nature Biotechnology》期刊上的一项研究所示，理想的CRISPR-Cas9递送系统理应控制在细胞中存在的时间，以便将潜在的脱靶效应降至最低。此外，CRISPR-Cas9系统中广泛使用的SpCas9酶很难适应典型的AAV载体，患者也会对AAV产生免疫反应而限制重复给药，影响临床治疗疗效。
麻省理工学院的研究团队通过对向导RNA（sgRNA）进行化学修饰，开发了一种非病毒的CRISPR递送系统。研究人员通过分析Cas9和sgRNA形成的复合体的结构，确定了可以修饰的sgRNA区域，在此区域可增强sgRNA，但不影响后续的基因编辑效率。且增强版sgRNA与Cas9 mRNA结合，可以在活鼠的肝细胞中几乎完全实现一个目标基因的编辑，无需借助病毒递送系统。
sgRNA的化学修饰（图片来源：《Nature Biotechnology》）
研究人员将增强后的sgRNA与Cas9 mRNA包裹入脂质纳米颗粒中，并注入到小鼠体内，通过研究调节胆固醇水平的Pcsk9基因，发现超过80%的肝脏细胞都能消除这种基因，且检测不到血清Pcsk9蛋白，小鼠体内总胆固醇水平也出现35%—40%的下降。
3中国科学家培育出带有基因剪刀的工具猪
广州生物医药与健康研究院赖良学课题组利用基因打靶技术，成功将Cas9蛋白基因插入到猪基因组的一个特定位点（ROSA26），并在Cas9基因附近加上了能与Cre重组酶结合的loxp位点，对其剪切基因功能的开启加以控制。
（图片来源：广州生物医药与健康研究院）
通过此模型，不需要依赖受精卵注射或体细胞核移植技术，在动物体内转入能识别特定基因的gRNA和重组酶，就可直接对猪的基因组进行编辑，从而快速获得相应基因编辑猪模型。
4解析水稻次生壁形成调控机理
中国科学院遗传与发育生物学研究所周奕华研究组利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创制了iip4突变体，发现其突变体次生壁厚度明显增加，纤维素和木质素含量略有上升，表明IIP4负调控水稻次生壁的合成。
IIP4蛋白是次生壁形成的负调控因子，调控水稻茎秆强度
（图片来源：中国科学院遗传与发育生物学研究所）
研究发现，IIP4与次生壁合成的顶层关键调控因子NAC29/NAC31互作，抑制其下游所调控基因（MYB61、CESA4、CESA7、CESA9等）的表达，从而干扰次生壁合成。而被ILA1磷酸化的IIP4亚细胞定位发生改变，由核中转移到细胞质，导致细胞核中的互作蛋白NAC29/NAC31被释放，从而促进了下游基因的表达和次生壁合成。
5基因编辑改造出三眼蚊子
埃及伊蚊是登革热病毒、黄热病病毒和寨卡病毒等的主要传播媒介，对常用杀虫剂有一定的抗药性。有不少研究者试图通过基因编辑来阻断蚊子传播疾病，但存在基因变异率低、改造后的蚊子存活率低、被破坏的基因无法稳定遗传等问题。
美国科学家通过“基因剪刀”，培育出了多个特征发生改变的埃及伊蚊。研究人员先是对埃及伊蚊进行基因改造，使其生殖细胞系能稳定地表达Cas9酶，从而能在CRISPR系统中剪切基因。再使用CRISPR技术，干预或破坏蚊子体内与表皮、翅膀和眼睛发育有关的基因，最终培育出了黄色的、拥有三只眼睛、翅膀畸形的蚊子。
研究人员表示这只是第一步，后期目标将以体内稳定表达Cas9酶的蚊子为载体，插入和扩散目的基因（如破坏繁殖能力的基因），从而控制蚊虫数量，帮助预防和控制蚊媒传播疾病。
6利用CRISPR-Cas9鉴定出全新药物靶标
Nature杂志近日的一项研究，发现抑制METTL3基因能破坏人和小鼠AML细胞而不伤害非白血病血细胞。
AML，即急性骨髓性白血病，是一种骨髓性白细胞异常增殖的侵袭性血癌，危及生命。研究人员利用CRISPR-Cas9技术成功构建了携带AML基因突变的小鼠细胞，经测试最终筛选到46个潜在候选基因，其中，METTL3是具有最强影响的基因之一，且是AML细胞存活所必需，但并不是健康的血细胞所必需，因而成为潜在药物靶标。
研究人员进一步解析了METTL3的作用机制：METTL3蛋白结合到126个不同的基因（包括AML细胞存活所必需的几个基因）的启动子上，当mRNA产生时，METTL3蛋白将甲基基团添加到这些mRNA的中间部分。研究表明，这些位于中间部分的甲基增加mRNA翻译为蛋白的能力；且当METTL3受到抑制时，没有甲基被添加到mRNA上，因而阻止AML细胞产生必需蛋白，进而凋亡。
这是AML的一种全新的基因调节机制，通过RNA修饰运行，抑制METTL3的甲基转移酶活性就可阻止AML所需的一整套蛋白表达。
CRISPR基因编辑技术的迅猛发展，创造了生命科学史上一个又一个奇迹，这是全球科研工作者共同努力的结果。然而科研之路总是充满荆棘，每一项突破，都像是一场战役；尽管困难重重，科学的脚步却从不会停止。未来虽不可知，但一定是值得期待的。
参考文献
[1] Sheth R U, YimS S, Wu F L, et al. Multiplex recording of cellular events over time on CRISPRbiological tape[J]. Science, 2017. doi:10.1126/science.aao0958.
[2] Yin H, Song CQ, Suresh S, et al. Structure-guided chemical modification of guide RNA enablespotent non-viral in vivo genome editing[J]. Nature Biotechnology, 2017. doi:10.1038/nbt.4005.
[3] Wang K, Jin Q, Ruan D, et al. Cre-dependent Cas9-expressing pigs enable efficient in vivogenome editing[J]. Genome Research, 2017. doi/10.1101/gr.222521.117.
[4] Zhang D, Xu Z, Cao S, et al. An uncanonical CCCH-tandem zinc finger protein repressessecondary wall synthesis and controls mechanical strength in rice[J]. MolecularPlant, 2017. doi:10.1016/j.molp.2017.11.004.
[5] Li M, Bui M, Yang T, et al. Germline Cas9 expression yields highly efficient genomeengineering in a major worldwide disease vector, Aedes aegypti[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017. doi:10.1073/pnas.1711538114.
[6] Hendrick A, Bannister A J, Vakoc C R, et al. Promoter-bound METTL3 maintains myeloid leukaemiaby m 6 A-dependent translation control[J]. Nature, 2017. doi:10.1038/nature24678.
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