基因组编辑技术研究前沿与挑战

人类对自然界生物的改造包括许多方面：通过动植物的育种尽可能获得高质、高产的农副产品来满足人类日益增长的物质生活需要；对抗生素、抗体、疫苗等生产菌株的基因组进行改造，为人类提供高质量的诊断和治疗用医药产品；通过合适的工具去定点修复人类自身的基因从而达到治疗疾病的目的可以说是“人定胜天”的终极目标。所有这些操作都涉及到基因组的改造或编辑。基因组编辑技术的研发为人类改造自然界生物（本文所指的自然界包括地球上所有的野生和改造的动植物、微生物及人类本身）提供了新的工具，使“传统的不能”变为“可能”。

利用CRISPR/Cas9对基因组中高度同源DNA片段编辑多样性的遗传学研究

在基因组中,编码区存在许多高度相似的基因簇或基因群(多拷贝基因),非编码区也存在大量的重复序列。这些重复序列能通过改变染色体的三维结构调控基因的转录,对于生物体的遗传与进化起到了重要的作用。其高度同源的特征使得利用CRISPR/Cas9技术进行基因组编辑时面临更加复杂的状况。如果编辑的片段是二倍体或多倍体,还会产生各条染色单体上的编辑情况不相同的现象。为此本文选择了2个位于同一染色体相距11 kb的高度同源300 bp片段(L1和L2)进行CRISPR介导的DNA片段编辑。采用一对sgRNA(分别共同靶向两片段的上、下游位点)引导Cas9对HepG2细胞两个高度相似的DNA片段进行切割。片段编辑的细胞进一步单克隆化后,对获得的22个L1/L2编辑的CRISPR单克隆细胞株进行详细的基因型鉴定。结果发现除了这两个DNA片段本身被删除外,它们之间的大片段也存在被删除的现象,三个片段的各种反转组合也很频繁。该研究结果对于采用CRISPR/Cas9系统编辑多拷贝基因或重复序列,尤其是对二倍体或多倍体生物进行基因组编辑时具有重要的借鉴和参考价值。

CRISPR/Cas9基因编辑在三维基因组研究中的应用

CRISPR/Cas9系统在基因编辑方面具有巨大优势,能够低成本、可编程、方便快捷地用于动物、植物以及微生物的基因组靶向编辑和功能改造。三维基因组学是近年来兴起的一门研究染色质高级结构动态调控及基因组生物学功能的交叉学科。在三维基因组研究中,通常采用对DNA片段进行基因编辑以模拟基因组结构性变异,标记特定DNA片段,进而研究调控元件对于基因调控、细胞分化、组织发生、器官形成、个体发育的影响,最终阐明三维基因组的组装调控机制和生物学功能。因此,CRISPR及其衍生技术为研究三维基因组提供了极好的遗传学工具。本文主要综述了CRISPR片段编辑及其衍生技术在三维基因组调控与功能研究中的应用,以期为后续研究工作提供理论参考以及新的研究思路。

CRISPR/Cas9系统在基因组DNA片段编辑中的应用

源于细菌和古菌的Ⅱ型成簇规律间隔短回文重复系统[Clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)/CRISPR-associated nuclease 9(Cas9),CRISPR/Cas9]近年被改造成为基因组定点编辑的新技术。由于它具有设计简单、操作方便、费用低廉等巨大优势,给遗传操作领域带来了一场革命性的改变。本文重点介绍了CRISPR/Cas9系统在基因组DNA片段靶向编辑方面的研究和应用,主要包括DNA片段的删除、反转、重复、插入和易位,这一有效的DNA片段编辑方法为研究基因功能、调控元件、组织发育和疾病发生发展提供了有力手段。本文最后展望了Ⅱ型CRISPR/Cas9系统的应用前景和其他类型CRISPR系统的应用潜力,为开展利用基因组DNA片段靶向编辑进行基因调控和功能研究提供参考。

原钙粘蛋白基因簇调控区域中成簇的CTCF结合位点分析

哺乳动物中原钙粘蛋白(Protocadherin,Pcdh)基因簇包含50多个串联排列的基因,这些基因形成3个紧密相连的基因簇(Pcdh?、Pcdh?和Pcdh?),所编码的原钙粘蛋白质群在神经元多样性(Neuronal diversity)和单细胞特异性(Single cell identity)以及神经突触信号转导中发挥重要作用。前期的工作已证实转录因子CTCF(CCCTC-binding factor)与CTCF结合位点(CTCF-binding site,CBS)的方向性结合能够决定增强子和启动子环化的方向以及其远距离交互作用的特异性,并进一步在Pcdh基因座(Locus)形成两个(Pcdh?和Pcdh?)染色质拓扑结构域(CTCF/cohesin-mediated chromatin domain,CCD),而且染色质拓扑结构域对于控制基因表达调控至关重要。本文通过生物信息学方法对比人类和小鼠序列,发现Pcdh??染色质拓扑结构域调控区域中的DNase I超敏位点(DNase I hypersensitive sites,HSs)较为保守。染色质免疫沉淀及大规模测序实验(Chromatin immunoprecipitation and massive parallel sequencing,Ch IP-Seq)揭示CBS位点在Pcdh??调控区域中成簇分布并且具有相同的方向。凝胶电泳迁移实验(Electrophoresis mobility shift assay,EMSA)确定Pcdh??调控区域内具体的42 bp CBS位点并且发现一个CTCF峰包含两个CBS位点。在全基因组范围内,运用计算生物学方法分析CTCF和增强子、启动子等调控元件的关系,发现CBS位点在调控元件附近有较多分布,推测CTCF通过介导增强子和启动子的特异性交互作用,在细胞核三维基因组内形成活性转录枢纽调控基因精准表达。

采用DNA片段编辑技术反转CTCF结合位点改变基因组拓扑结构和增强子与启动子功能

人类的祖先很早就观察到生物性状的遗传现象，但是直到19世纪60年代孟德尔发现遗传因子的分〈br〉 离定律和自由组合定律，遗传学才真正建立并快速发展起来。尽管人类很快有了基因的概念，并认识了核酸和蛋白质，但直到1953年沃森和克里克阐明了DNA的双螺旋结构之后，人类对基因才有了本质的认识，从而开启了分子遗传学时代。随着人类基因组计划测序工作的完成以及最近大规模测序技术的突破，越来越多的研究发现很多遗传疾病相关位点不仅位于启动子和基因编码区，而且也大量地存在于调控组织发育基因表达的增强子中。更多的遗传疾病相关位点则位于功能未知的基因组区域。近年研究发现这些遗传疾病相关位点可能与三维基因组（3D genome）息息相关并通过染色体高级拓扑架构（Higher-order topological chromosome architec-ture）起作用。

人类原钙粘蛋白基因簇调控元件的克隆及对其启动子活性的影响

人类原钙粘蛋白(Protocadherin,Pcdh)基因簇包含53个成串排列非常相似的基因,组成3个紧密相连的基因簇(α,β和γ)。原钙粘蛋白基因簇γ通过启动子选择性表达产生神经元细胞膜表面的分子多样性,但是,该多样性产生的分子机制还不清楚。调控元件HS7L和HS5-1aL作为候选的增强子可能具有调控Pcdhγ基因表达的作用。利用分子克隆的方法,将调控元件HS7L和HS5-1aL分别克隆至包含γa9、γa10、γb3、γb7和γc3启动子的荧光素酶报告基因的下游。通过荧光素酶报告基因试验检测其对该5种Pcdhγ启动子活性的影响,发现HS7L对5种启动子活性具有增强作用,HS5-1aL对γa10启动子活性具有增强作用。之后,通过基因沉默绝缘子CTCF,发现下调CTCF不仅降低γb1基因表达,而且能够显著降低γb1启动子报告基因活性。试验结果表明调控元件HS7L和HS5-1aL能够增强Pcdhγ启动子活性,推测可能通过CTCF介导的增强子-启动子相互作用调控Pcdhγ的细胞特异性基因表达。

RFX5调控原钙粘蛋白α基因簇的表达

基因的表达调控与基因组在细胞核内的三维空间架构相辅相成,原钙粘蛋白(protocadherin,Pcdh)基因簇在大脑发育中起到关键作用,可以作为研究基因表达调控机制的模式基因。转录因子RFX5(regulatory factor x 5)是翼螺旋家族(winged HLH family)的成员,其蛋白由寡聚化结构域、DNA结合域、螺旋结构域和激活域组成,在调控免疫系统的主要组织相容性复合物Ⅱ类(major histocompatibility complex classⅡ,MHCⅡ)的表达中起着至关重要的作用。本研究发现RFX5与CTCF在全基因组上结合的位点有部分重叠,利用CRISPR/Cas9 DNA大片段编辑技术,构建了RFX5基因缺失的HEC-1-B细胞系。通过RNA-seq实验,发现RFX5敲除能够显著升高Pcdhα6、Pcdhα12、Pcdhαc2的表达水平。通过ChIP-nexus实验,发现敲除RFX5导致染色质架构蛋白CTCF和cohesin在原钙粘蛋白α基因簇处的结合增加。最后,染色质构象捕获QHR-4C实验发现Pcdhα6、Pcdhα12启动子与远端增强子HS5-1的染色质远距离相互作用增强。上述研究表明RFX5蛋白可能通过调控染色质高级结构影响原钙粘蛋白α基因簇的表达,为未来进一步探索RFX5的功能提供了参考。

染色质架构蛋白CTCF调控UGT1基因簇的表达

尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶(UDP-glucuronosyltransferase,UGT)是一类重要的Ⅱ相药物代谢酶,通过葡萄糖醛酸接合反应代谢大量内外源小分子化合物,对机体维持内部动态平衡具有重要意义。UGT基因突变或表达异常会造成高胆红素血症等多种疾病、影响药物疗效或减弱代谢药物能力,因此探索UGT表达调控机制将会为人类疾病的预防和个体化医疗以及精准医学提供科学依据。脊椎动物UGT分为UGT1和UGT2两个亚家族,UGT1基因簇结构与原钙粘蛋白(protocadherin,Pcdh)、免疫球蛋白或B细胞受体(immunoglobulin or B-cell receptor)、T细胞受体(T-cell receptor)基因簇类似,但与UGT2结构不同,分为可变区和恒定区,可变区包含成串排列的外显子,任意一个外显子都可以被可变剪接到下游同一套恒定区外显子上,形成9种UGT1信使RNA并翻译成不同UGT1葡醛酸转移酶亚型。本实验室前期工作发现,染色质架构蛋白CTCF结合DNA的方向性在染色质三维结构构建中发挥重要作用。基于此,为了进一步解析UGT1复杂基因簇的三维转录调控机制,本研究分析和比较了人和小鼠UGT1基因簇的CTCF结合位点(CTCF binding site,CBS)的方向性分布,发现人和小鼠的UGT1基因簇中CBS分布差异很大。以人肺癌细胞系A549为模型,通过RNAi敲低细胞中CTCF和SMC3(cohesin亚基),证明了CTCF和cohesin蛋白参与调控人UGT1基因簇的转录表达。进一步采用CRISPR介导的DNA片段编辑技术对hCBS1进行了原位反转(in situ inversion)和删除,并通过RNA-seq分析技术发现hCBS1删除能够显著降低UGT1A6、UGT1A7和UGT1A9的表达水平,然而hCBS1反转仅仅显著降低UGT1A7的表达水平。上述研究表明hCBS1参与UGT1A6、UGT1A7和UGT1A9的转录调节,是人UGT1基因簇的潜在转录调控元件。本研究为未来进一步探索UGT1基因簇的三维基因转录调控机制提供了实验基础。

N-WASP通过polyPro和VCA结构域调控大脑皮层神经元迁移

在大脑皮层发育过程中,神经元迁移是一个动态的复杂过程,与细胞骨架构建和重塑的调控息息相关。N-WASP蛋白是Wiskott-Aldrich综合征蛋白家族(WASP-WAVE family)的一个重要成员,又名WAS-like蛋白(WASL),直接参与细胞骨架中肌动蛋白丝状分支的动态调控。本研究通过蛋白免疫印迹检测发现N-WASP表达于小鼠胚胎发育时期(E12.5~E18.5)的大脑皮层中,并且其表达水平随着发育逐渐降低。利用在体子宫内胚胎电转实验,结果发现过表达或者敲低N-WASP均会造成不同程度的大脑皮层神经元迁移障碍,说明N-WASP在大脑皮层神经元迁移中起到关键作用。N-WASP蛋白主要包含4个结构域:WH1、GBD、poly Pro和VCA。为进一步研究N-WASP各结构域在神经元迁移中的调控功能,设计了一系列的显性负性突变实验。通过过表达结构域删除的N-WASP蛋白,发现(35)poly Pro、(35)VCA和(35)WH1均能造成神经元迁移障碍。但是,过表达不能结合Cdc42的N-WASP蛋白(H208D突变体)却不能造成明显的神经元迁移障碍。另外,单独过表达N-WASP的结构域poly Pro或VCA能够造成神经元迁移障碍,而过表达WH1结构域却不能影响迁移。最后,通过过表达poly Pro和VCA结构域同时删除的N-WASP(WH1-GBD),发现WH1-GBD结构域对神经元迁移没有明显影响。上述结果表明N-WASP蛋白主要是通过poly Pro和VCA两个结构域调控大脑皮层神经元的迁移过程。

串联反向CTCF位点的系列删除揭示增强子调控HOXD基因簇表达的平衡

三维基因组染色质架构蛋白CTCF(CCCTC-binding factor)能够介导增强子与基因启动子的远距离染色质相互作用,也可以结合调控区域的绝缘子发挥增强子绝缘功能,对发育中的基因表达调控具有重要作用。同源框基因家族(Homeobox gene family,Hox)编码一类控制动物发育的关键转录因子,在发育中主要沿胚胎首尾轴(head-to-tail axis)呈时空线性表达。在哺乳动物中,Hox基因分为HoxA、HoxB、HoxC和HoxD四个基因簇,在中枢神经系统、骨骼和四肢发育中发挥重要功能。HoxD基因簇主要调控四肢发育,受位于其两侧调控域内的增强子调节,沿肢体近远轴(proximal-distal axis)呈时空线性表达。在人类基因组中,HOXD基因簇及其两侧的调控区域分布有串联排列的CTCF结合位点(简称CTCF位点),参与9个HOXD基因的表达调控。本研究以HOXD基因簇为模式基因,探究CTCF对发育基因(developmental genes)转录调控的影响。利用CRISPR DNA片段编辑技术在人HEK293T细胞中获得一系列的串联反向CTCF位点删除的单细胞克隆株。RNA-seq实验揭示CTCF位点删除后HOXD基因表达下降。定量高分辨率染色体构象捕获实验显示,HOXD与上游增强子簇的远距离染色质相互作用增强,与下游增强子簇的远距离染色质相互作用减弱。综上所述,串联反向的CTCF位点通过其绝缘子功能维持上下游增强子簇对HOXD基因簇表达调控的平衡,为探究动物发育过程中Hox基因表达的精准调控机制提供参考。

HOXD基因簇内一系列CTCF位点反转揭示绝缘子功能

CTCF(CCCTC-binding factor)是一种重要的染色质架构蛋白,其与绝缘子的方向性结合在哺乳动物基因组三维空间结构形成和维持中起着至关重要的作用。正向–反向相对方向的CTCF结合位点(简称CTCF位点)可以在染色质黏连蛋白(cohesin)的协助下,形成染色质环,介导远距离DNA元件之间的相互作用;而在染色质拓扑结构域边界区域的CTCF位点呈现反向–正向相背方向分布,发挥绝缘子的功能。为进一步研究CTCF介导染色质环的形成与其绝缘功能之间的关系,本研究采用DNA片段编辑方法通过设计成对sgRNA(dual sgRNA)构建了一系列HOXD基因簇区域CTCF位点反转的单细胞克隆。定量高分辨率染色质构象捕获实验显示边界区域CTCF位点反转会改变原有的染色质环方向,通过环挤出模型(loop extrusion)形成新的染色质环,引起染色质拓扑结构域边界漂移至新形成的一对反向–正向CTCF位点处。此外,串联排列的CTCF位点可以通过阻碍反方向渗透的黏连蛋白继续滑动发挥绝缘子的功能。RNA-seq实验发现CTCF位点反转引起的局部基因组空间结构变化会进一步影响基因的表达。上述研究表明相邻两个染色质拓扑结构域边界区域的反向-正向CTCF位点可以通过与各自所在拓扑结构域内相向的CTCF位点形成染色质环,阻碍黏连蛋白滑动,该发现为进一步研究CTCF的绝缘功能和其对基因组拓扑结构的影响提供了参考。

靶向敲除β-珠蛋白基因座控制区增强子HS2对K562细胞转录组的影响

人类β-地中海贫血的发病机制与β-样珠蛋白基因异常表达息息相关。人类β-样珠蛋白基因以5′-ε-Gγ-Aγ-δ-β-3′的顺序排列于β-珠蛋白基因座,受5′LCR (locus control region)中5个超敏位点(hypersensitive site,HS)5′HS5~5′HS1和3′HS1调控。其中5′HS2是最重要的增强子,能产生增强子RNA(enhancerRNA)并调控ε-globin、γ-globin和β-globin的表达。为了进一步探究K562细胞中增强子5′HS2的功能,本研究首先通过染色质构象捕获技术在人慢性髓原白血病K562细胞中探测到5′HS2介导的染色质相互作用集中在以包含CTCF(CCCTC-bindingfactor)位点的3′HS1和5′HS5为边界的拓扑结构域中,5′HS2在三维空间上与HBE1、HBG2和HBG1启动子区域相互靠近。其次运用CRISPRDNA片段编辑技术在K562细胞系中删除了增强子5′HS2。最后通过RNA-seq和CUT&Tag (cleavage under target&tagmentation)实验分析两个5′HS2删除的单克隆细胞系的转录组和染色质H3K27ac组蛋白修饰,发现91个基因表达显著下调而且其启动子区的H3K27ac修饰程度显著降低。这些基因主要聚类于氧气运输、免疫应答、细胞粘附、抗氧化和维持血栓形成等与红细胞功能相关的生物过程中,表明K562细胞系中增强子5′HS2对红细胞功能相关基因的转录产生了广泛影响。

HS5-1增强子eRNA PEARL对原钙粘蛋白α基因簇的表达调控

远端增强子对关键靶基因的表达调控通常可以决定细胞的命运和功能,激活的增强子可以双向转录产生长非编码(long noncoding)增强子RNA(enhancer RNA,eRNA)调控靶基因表达,课题组前期研究发现增强子eRNA能够通过形成R环(R-loop)来促进增强子与靶基因的染色质远距离互作,引起局部三维基因组TAD(topologically associated domain)的改变。为了进一步探究eRNA在基因转录过程中的生物学功能,本研究选取原钙粘蛋白(protocadherin,Pcdh)基因簇的增强子eRNA PEARL(Pcdh eRNA associated with R-loop formation)作为研究对象,通过CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)DNA片段编辑技术、逆转录PCR、荧光定量PCR等遗传学和分子生物学实验,揭示了增强子eRNA PEARL对Pcdhα基因簇表达的促进作用。首先,本研究通过分析不同组织中HS5-1增强子eRNA发现其表达具有组织特异性;其次,通过CRISPR诱导HS5-1增强子内CTCF结合位点的反转或缺失会造成增强子eRNA PEARL转录水平降低至2%~10%,同时Pcdhα基因簇的转录水平也会降低至原来的13%~68%;最后,利用CRISPR DNA片段编辑技术删除HS5-1 eRNA双向转录起始位点或反转eRNA PEARL的转录起始位点后,Pcdhα基因簇的转录水平下降了约60%或40%,表明HS5-1增强子eRNA在调控基因表达中发挥重要作用。以上研究结果进一步证实了HS5-1增强子的转录产物可以调控Pcdhα基因簇的表达,为后续研究原钙粘蛋白基因簇在大脑中的表达调控机制提供了新的思路或方向。

过表达LXRα和RXRA对HepG2全基因组转录的影响

LXRα(Liver Xreceptorα)是一种氧甾醇核受体在免疫和脂类代谢等生物过程中发挥重要作用,为了进一步探究LXRα的生物学功能,本研究对LXRα和RXRA共同过表达的HepG2细胞进行了全基因组转录分析。在HepG2细胞中LXRα和RXRA共同过表达导致451个基因发生差异表达(p<0.05)其中有213个基因表达上调,221个基因表达下调,通过GO(Gene ontology)功能和KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomics)通路基因富集分析发现这些基因参与调控化合物代谢、转录和免疫防御等生物过程。此外还发现在HepG2细胞中,LXRα和RXRA过表达也导致细胞死亡和凋亡相关基因的部分沉默或激活,证明LXRα也参与调控细胞死亡和凋亡。本研究首次在HepG2细胞中通过同时过表达LXRα和RXRA分析LXRα的靶基因及其所参与的生物过程和信号通路,为后续LXRα的功能发掘和相关疾病的药物开发和治疗提供了理论依据。