文献分享之：基于ZFN的基因组表观遗传编辑

一、主要研究内容

表观遗传修饰是有别于传统遗传学的另外一种重要的遗传方式。表观遗传修饰工具在不改变基因组序列的情况下, 可以实现基因功能的变化。ZFN, TALEN与CRISPR是经典的三代基因编辑体系, 基于基因编辑工具开发的表观遗传修饰工具, 已经显示出在细胞和动物模型中靶向特定基因并实现其沉默的巨大潜力, 尤其是在遗传性疾病和某些癌症的精准治疗领域。

本研究开发了一款进化工程转录抑制因子的新型表观遗传修饰工具, EvoETR (Evolved engineered transcriptional repressor)。EvoETR的原理是结合DNA结合域 (DBD) 和效应域 (ED) 于一个单一分子中, 以便靶向和调控特定基因的表达。DBD可以精确结合到基因组中特定的DNA序列, 确保EvoETR能够精准地定位到目标基因。ED是负责执行基因沉默功能的部分, 通常来自于自然存在的转录抑制因子。在EvoETR中, ED可以通过招募组蛋白修饰酶等机制, 在目标基因的启动子区域引入抑制性的表观遗传标记, 如组蛋白甲基化, 从而抑制基因的表达。通过将DBD和ED组合在一个分子中, EvoETR能够靶向并持久地沉默特定基因的表达, 而不需要持续的外源因子介入, 这为治疗人类疾病提供了一种新的策略。EvoETR的设计旨在提高靶向性和减少脱靶效应, 使其成为一种安全且有效的基因调控工具。该研究中的EvoETR结合了dCas9的高特异性DNA结合能力和先进的转录抑制因子, 使其在基因沉默方面展现出卓越的性能, 具体表现为：(1) 高度特异性, EvoETR通过精确设计的dCas9与特定基因启动子结合, 确保了目标基因沉默的高度特异性, 减少了非目标效应的风险。(2) 持久效果, 通过引入先进的转录抑制因子, EvoETR能在表观遗传层面实现基因的持久沉默, 即使在细胞分裂过程中也能保持沉默状态。(3) 广泛适用性, EvoETR的设计不仅适用于人类细胞, 也能在多种模型生物中有效应用, 为基因疗法的研究与开发提供了广阔的平台。(4) 安全性, 与传统的基因剪切技术相比, EvoETR通过表观遗传层面调控基因表达, 避免了对DNA序列的直接修改, 从而提高了治疗的安全性。

通过对Pcsk9基因的靶向沉默, 不仅验证了这种工具在体内实现基因沉默的能力, 而且还证实了其沉默效应的持久性和特异性。Pcsk9基因作为调节胆固醇代谢的关键因子, 其沉默对于治疗高胆固醇血症及其相关心血管疾病具有重要意义。该研究表明, 通过一次性的表观遗传编辑, 可以实现对Pcsk9基因的长期沉默, 而且该技术具有较高的安全性和特异性。这些发现不仅为表观遗传编辑技术的临床应用奠定了基础, 也为使用该技术治疗其他遗传性和获得性疾病提供了重要的实验数据支持。

二、思考

1. 表观遗传编辑的优势

类似CRISPRi, CRISPRa, 与其他DNA, RNA甲基化修饰工具, EvoETR在下述疾病类别中具有独特优势。(1) 遗传性疾病的治疗, 对于那些由特定基因突变引起的遗传性疾病, 表观遗传编辑技术能够直接靶向并沉默这些致病基因, 从而根除疾病的根本原因。(2) 癌症治疗, 通过精准地调控癌细胞中的关键基因，例如促癌基因或肿瘤抑制基因，表观遗传编辑有望成为一种有效的癌症治疗手段，尤其是在传统治疗 (如化疗和放疗) 效果不佳的情况下。(3) 感染性疾病的治疗,针对某些病毒性疾病, 例如HIV/AIDS, 表观遗传编辑技术可以通过靶向并沉默病毒DNA来阻断病毒复制，为治疗提供新的策略。

2. 表观遗传编辑的缺点

(1) 编辑效率和特异性, 虽然现有技术已经能够实现相对高效和特异性的基因沉默，但在不同细胞类型和生物体中的效率及特异性仍有待提高。

(2) 长期安全性, 关于长期对宿主基因组可能产生的影响, 特别是潜在的非目标效应和基因组稳定性问题, 尚需进一步研究和监测。

(3) 临床应用的复杂性, 从体外实验到临床应用存在许多挑战，包括但不限于递送系统的选择、免疫原性问题以及个体差异的考量。

3. 新工具的开发

(1) 结合特有的递送系统, 如本实验室正在开发的CPP系统, 构建新型高效的靶向基因的修饰工具, 如甲基化修饰等。

(2) 本课题组正在开展的线粒体基因组修饰工具可能会成为未来的研究、应用热点。