中美學者合作發表Cell：改造CRISPR系統用其捕捉基因組調控區

美國德克薩斯西南醫學中心的徐劍課題組和復旦大學生物醫學研究院周峰課題組共同開發出一種創新的系統，用來分離和鑒定人類基因組中DNA調控序列。相關文章以「In Situ Capture of Chromatin Interactions by Biotinylated dCas9」為題發表在8月24日的 cell上。復旦大學周峰教授主要做質譜儀的構建，以及蛋白分析等方面的內容。8月24日，Cell雜誌同時刊登了中國學者的三篇論文，離上次中國學者同一期發4篇文章不足一個月。

研究非編碼調控區的手段有限

基因組是人類DNA的全部，擁有近30億個鹼基對。但只有2%的基因組編碼蛋白質。其餘98%是由非編碼區組成，非編碼區調控蛋白編碼基因何時何地被激活。這些非編碼區一再被人類遺傳學和癌症基因組研究確定為人類疾病如癌症的潛在驅動。但這些非編碼區在染色體中大多數是未知的分子組成。

對這些調控區域和指導基因打開和關閉的基本原理如果有更好地了解，能夠揭示疾病的發展和尋找新的治療方法。然而，識別這些非編碼區，了解它們如何工作的工具是有限的。這需要事先識別調控這些區域的蛋白質因子，這取決於是否有像抗體這樣的試劑，而且常常需要複雜的遺傳操作。

用改造過的CRISPR系統捕捉調控區域

發表在Cell上這項新的系統為深度研究這些調節性遺傳元件鋪平道路。這個體系叫做CAPTURE (CRISPR Affinity Purification in situ of RegulatoryElements)，是通過CRISPR原位親和純化調控原件。該方法提供了同時分離基因組序列相關蛋白質以及它們的RNA和DNA的相互作用的方法。CAPTURE能讓人們分離和分析調節DNA的整套蛋白因子，在癌症和幹細胞中研究有多少不同的蛋白調控基因組功能將成為可能，也為尋找新的葯靶提供全新的途徑。

CAPTURE方法是通過對CRISPR基因組編輯系統再利用，包括CRISPR相關蛋白9（Cas9）。CAPTURE利用特定序列的嚮導RNA將體內生物素標記的、核酸酶缺陷去活化的Cas9（dCas9）直接靶向到研究人員想要的DNA元件。然後通過生物素高效特異性純化，dCas9連同其它蛋白質、與dCas9在染色體上位置（基因組位點）相關的RNA和DNA序列可以被分離，結合包括RNA-seq、蛋白質組學(Proteomics)和染色質三維結構（3C-seq）等分析方法進行研究。這使得在基因組中識別和鑒定調控區域及其相關蛋白成為可能。

CAPTURE技術的效果和優勢

利用CAPTURE技術，作為原理的證明，研究人員成功地發現了許多已知的和新的人類端粒相關蛋白。接下來，研究人員發現了在人類血細胞中調控β-珠蛋白基因表達的增強子的調節機制。β珠蛋白是血紅蛋白的重要組成部分。它的基因表達改變與遺傳性血紅蛋白紊亂（如鐮狀細胞病）有關，目前已影響到世界人口的5%。

通過調控因子分離DNA片段的常規技術中，比如現有的染色質免疫共沉澱（CHIP）技術則依賴於單個調控因子，而並不能純化和分析單個調控序列所結合的多個調控因子以及三維結構。CAPTURE技術使位點特異性染色質調節的蛋白質組分析成為可能；CAPTURE技術還可以捕捉高解析度的、與DNA遠程識別的特異相互作用位點；可以分析鑒定基因組內任何調控序列的組成因子以及三維結構。

CAPTURE可以對基因組進行無偏見的分析，為生物醫學研究人員提供了一個強大的新工具來解讀潛在的調節原則。這個新工具將提高我們對人類基因組和多種疾病遺傳變異的認識。

參考資料

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