生物通報道：最近，分別在Cell子刊《Chemistry & Biology》、Nature子刊《Nature Chemical Biology》和《Nature Biotechnology》發表的三項研究中，研究人員開發出一種光激活的CRISPR-Cas9系統，能夠按需打開和關閉轉錄。

可以毫不夸張地說，CRISPR-Cas9已經風靡生物技術世界。延伸閱讀：PNAS：基于CRISPR的多色熒光標記系統。RNA引導性核酸酶使研究人員能夠以單核苷酸分辨率編輯活細胞的基因組，這種技術為基礎研究、藥物開發與臨床應用都帶來了希望。

從根本上說，Cas9只是一種RNA 引導的DNA結合蛋白，由一個單導向的RNA指導。通過滅活其核酸酶活性、將蛋白質結合到效應物結構域、并選擇適當的引導序列，研究人員可以直接靶定他們感興趣的基因組區域。

在2013年，多個研究團隊將一種催化無效cas9核酸酶結合到轉錄激活結構域，從而使它們控制內源基因的表達。但這些系統都是組成性的，沒有辦法打開和關閉轉錄本。現在，研究人員已經有了解決方法。

分別由東京大學Moritoshi Sato和杜克大學Charles Gersbach帶領的兩項研究，開發出了基于CRISPR-Cas9的轉錄激活系統，可以用光進行控制，這兩項研究分別發表在Cell旗下子刊《Chemistry & Biology》、Nature旗下子刊《Nature Chemical Biology》。該系統包括一對融合蛋白：一個蛋白把滅活Cas9蛋白結合到一個稱為CIb1的蛋白，另外一個蛋白將一個轉錄激活結構域結合到隱花色素2（CRY2）。用藍光照亮表達這兩個蛋白質的細胞和引導性RNA，可使兩個蛋白質片段配對，將轉錄激活結構域拴在DNA上，并激活轉錄。本設計為以前這種構成性的合成轉錄因子引入了一種調控機制。

CIb1和CRY2是植物蛋白。光做出響應，CRY2經歷了構象變化，使它與CIB1相互作用。Gersbach解釋說：“植物用這個來感知一天的長度。”在2013年，Broad研究所的張鋒和他的同事們使用這兩種蛋白質，制備了基于轉錄激活因子樣效應物（TALEN）DNA結合結構域的“光誘導轉錄效應物”（LITE），并用其構建了TALEN基因組編輯酶。但是，定制的DNA結合TALEs比較難以生產，需要蛋白質工程。現在，Gersbach和Sato將這種技術擴展至更簡便CRISPR-Cas9系統，可使用很短的RNA進行編程。同時，張鋒開發了一種“分裂的Cas9結構”，可允許雷帕霉素誘導的轉錄激活和基因組編輯。

然而，構建新的光激活系統不只是簡單地將TALE結構域與Cas9交換。例如，Sato的團隊，檢測了CRY2和CIB1融合蛋白的多種結構，發現為TALE起作用的結構并不為Cas9起作用——可能由于后一個蛋白質“更大、更復雜的結構”。Sato說：“這是本系統開發過程中最具挑戰性的部分。”

Sato和Gersbach表明，內源性基因可以從時間和空間上進行控制——例如，通過使用光罩來限制培養板特定區域的光照。他們還表明，可以通過打開或關閉藍光LED而反復地激活轉錄。研究人員利用CRISPR-Cas9系統的多路復用好處，例如，通過使用每個基因的多個引導RNA，增加轉錄輸出。Sato團隊還同時靶定了兩個基因。

Sato說：“這種方法可以通過光激活靶向的、用戶界定的基因，可以有助于許多生物醫學應用，如探索基因的功能，利用它們在體外和體內控制細胞的功能。”

（生物通：王英）

生物通推薦原文：
1. Nihongaki, Y, et al., “CRISPR-Cas9-based photoactivatable transcription system,” Chemistry & Biology, 22:169–74, 2015.

2. Polstein, LR, Gersbach, CA, “A light-inducible CRISPR-Cas9 system for control of endogenous gene activation,” Nat Chem Biol, 11:198–200, 2015.

3. Zetsche, B, et al., “A split-Cas9 architecture for inducible genome editing and transcription modulation,” Nat Biotechnol, 33:139–42, 2015.