CRISPR 表觀遺傳學

基因修飾不是夢! CRISPR/Cas9 在 DNA 甲基化修飾的應用

表觀遺傳學(epigenetics)是指在不改變 DNA 序列的前提下,能造成生物體外在基因表達或細胞表現型變化的學門。這一類的表觀調控與生理調控息息相關,包括決定細胞命運,改變染色質的結構乃至影響許多致癌基因的表現。目前造成表觀遺傳變化的機制中,其中一種就是對於 DNA 鹼基對(base pair)的甲基化圖譜(methylome)的解析。以現今的科技,繪製人類不同組織細胞中全甲基化圖譜的變化並非難事,且精確度已達對單一鹼基。而藉由此類解析,染色體上許多與發育過程相關的特殊區域也一一被訂定。然而,受限於缺少能有效 DNA 甲基化的工具,觀察基因產物的變化來進行生理功能上的研究而很難有更進一步的發展。

CRISPR 技術的發展對於基因編輯有著很深遠的影響,關於 CRISPR/Cas9 基因剪輯系統的應用及改良在前幾篇文章中都有詳盡的介紹。隨著對背後機制的探討與了解,研發出了許多優化的版本,可以對特定的序列位置做切割而達成序列變化的效果。事實上,因為在許多基因調控的過程中,因為並不牽涉到 DNA 的序列變化,所以科學家使用失去催化水解活性的 Cas9(dCas9),達成和特定 DNA 序列片段做辨識,而將 dCas9 接上不同的蛋白質,可以達成對調控特定基因表達的效果。利用類似的概念,研究人員設計了一套可以自由操控甲基化/去甲基化的工具,利用在 dCas9 蛋白上連接能將序列上啟動子甲基化、或是去甲基化的蛋白,可以達成對基因活化、或是靜默的效果(圖一)。

圖一、藉由 dCas9 酵素連接可以對 DNA 進行修飾的蛋白質,達成對基因進行活化或是靜默的效果。(來源:https://www.cell.com/cms/attachment/2110598756/2083242770/gr1_lrg.jpg

來自美國、波蘭與中國組成的跨國研究團隊,利用這套可以自由剪輯 DNA 甲基化區域的工具,對於功能上的研究,提供了莫大的貢獻。 研究團隊研究的生理模型目標是腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF),一種與腦神經發育息息相關的成長因子,其表現量與神經元活性程度及啟動子(promoter)受甲基化程度的多寡有關; 甲基化越少, BDNF 表現越多。許多與腦神經相關的疾病,例如阿茲海默症、帕金斯症及精神分裂的病人,往往都有 BDNF 短缺的現象,原因在於病人的 BDNF 啟動子區域有高度甲基化的情形。作者將構建好的 dCas9-Tet1 (去甲基化酵素)與針對 BDNF 啟動子區域設計過的 gRNA 一同轉殖入老鼠胚胎中 (圖2) , 萃取並分析老鼠的大腦皮質神經細胞發現,帶有去甲基化酵素的實驗組,其皮質神經細胞活性及 BDNF 的表現遠高於對照組,並且沒有癌化現象,這結果無疑是對腦神經病變的病人的一大福音。類似的應用也在肌肉細胞上獲得應證; 在肌細胞成長因子 MyoD 的強化子區域(enhancer)進行去甲基化,能成功促進肌細胞的分化,而促使肌小管(myotube)的產生 。另一方面,dCas9-Dnmt3a(甲基化酵素)的實驗則是證實該工具可以改變 DNA 構型,影響 DNA 與轉錄因子的交互作用,並調控下游基因的表現。

CRISPR/Cas9 應用的廣泛五花八門,其中不乏一些有趣的報告,由於這項工具的強大,背後專利權爭奪的故事又是一篇精彩的篇章。無論如何,這項偉大的發現,已經為生命科學領域帶來新的活力與創造力!

圖二、dCas9 經由 gRNA 的引導,將去甲基化酵素 Tet1 攜帶至 BDNF 的啟動子區域進行去甲基化,進而活化神經元細胞。 (圖片來源:https://www.cell.com/action/showImagesData?pii=S0092-8674%2816%2931153-9

參考資料:

1. Liu, S., et al., (2016). Editing DNA Methylation in the Mammalian Genome, Cell, 167(1), 233-247.
doi: 10.1016/j.cell.2016.08.056

作者|葉意茹
修訂|蔡京庭

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葉意茹

凱斯西儲大學藥理研究所博班畢業,現為該校博士後研究員。目前主要研究方向為癌症抗藥性機制。感謝Investigator提供的平台能讓我吸收不同領域的新知。