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CRISPR技术在基因编辑的过程中会将DNA双链切开，然后对其进行修复，在这个过程中可能导致出现未知突变、脱靶效应和基因表达不可控等副作用。因此，科研人员开始寻求在使用CRISPR过程中不打开DNA双链的方法：表观基因组编辑（epigenome editing）。这种方法不直接编辑基因，而是调节基因表达的“开关”，达到***终的治疗目的。
近日，麻省理工学院（MIT）和加州大学旧金山分校（UCSF）的研究人员在科学期刊《细胞》上发表研究论文，以CRISPR系统为基础，开发出一套新的表观遗传编辑器CRISPRoff，其瞬时表达便可实现持久可遗传且可逆的DNA甲基化修饰和基因转录调控。
具体来说，表观遗传基因沉默可以通过甲基化（将特定化学修饰添加到DNA链中的特定位点）来实现，修饰后的DNA模版无法与RNA聚合酶结合，从而DNA模版无法转录为mRNA，***终靶标蛋白表达被抑制。
本文通讯作者之一的Jonathan Weissman博士实验室此前设计了另外两个表观遗传编辑器（CRISPRi和CRISPRa），可实现对特定基因的抑制或激活。但这些系统依赖于Cas9融合蛋白的连续表达，不太适合治疗性细胞疗法。
***新研究中，研究人员在原有设计的基础上，构建出新的表观遗传编辑器CRISPRoff-V1和CRISPRoff-V2。结果显示，CRISPRoff-V2可在多种细胞系中持久抑制内源基因的表达，并能实现多个基因的组合表达调控，而且CRISPRoff对表观遗传修饰和基因转录的调控具有很高的特异性。
▲研究中设计的CRISPRoff系统示意图
此外，更值得注意的是CRISPRoff能够沉默没有CpG岛结构（CGI）的基因，而CpG岛结构此前被认为是任何DNA甲基化机制所必需的。研究人员在采访中说到：“在这项工作之前，人们认为30％没有CpG岛结构的基因是不受DNA甲基化控制的。但我们的工作清楚地表明，不需要CpG岛结构也可通过DNA甲基化关闭基因。对我们来说，这是一个很大的惊喜。”
为了研究CRISPRoff应用于实际治疗的可行性，研究人员在诱导多能干细胞中测试了该方法。研究人员通过特异性地沉默干细胞中的特定基因，成功诱导干细胞分化为神经元细胞。此外，CRISPRoff靶标的基因在90％的干细胞衍生神经元细胞中仍然保持沉默，这说明即使改变细胞类型，细胞内仍保留着由CRISPRoff系统进行的表观遗传修饰。
▲通过特异性地沉默干细胞中的特定基因，成功诱导干细胞分化为神经元细胞
研究人员还测试了用调控Tau基因的表达，Tau蛋白与阿尔茨海默病发病紧密相关。在神经元测试中，CRISPRoff成功地降低了Tau蛋白的表达。而CRISPRoff诱导的基因沉默也是可以逆转的：研究人员将DNA去甲基化酶TET1与Cas9融合，设计出可介导靶位点DNA去甲基化和基因转录激活的新工具CRISPRon，结果表明CRISPRon可有效逆转CRISPRoff介导的DNA甲基化修饰和转录抑制。
Weissman博士总结说，利用CRISPRoff，“我们现在可以让基因组中的任何一部分沉默，这一工具可以为探索基因组功能发挥重要作用。”
