CRSPER-dCas9在基因轉錄調控中的應用

文獻摘要

Cas9的核酸酶發生雙突變產生「鈍化」和「死亡」Cas9，即「dCas9」，這種核酸酶失去切割DNA的功能，但在gRNA的指導下仍能以相同的精確度靶向和結合DNA。dCas9蛋白可以與效應器阻遏（如蛋白和激活劑結構域）形成融合蛋白，這樣，dCas9可以將這些效應器帶到啟動子區域、調控區域或編碼區域，對任何基因進行精確定點調控而不造成DNA損傷。可用於研究轉錄因子或輔助轉錄因子對特定基因的影響。

CRISPR dCas9—轉錄調控系統

Figure1 – dCas9 as a modular system for attachment of transcriptional regulators.dCas9 can easily be fused to effectors (either transcription activators orrepressors) for targeted gene regulation. Adapted from Figure 1a of Gilbert etal. (2013).

dCas9系統調節基因的激活或抑制

dCas9-SAM—CRISPR Cas9基因激活系統

在第一代dCas9-SAM系統中，dCas9與典型的轉錄激活因子如VP64（單純性皰疹病毒蛋白16的合成四聚體）或p65（參與許多細胞過程的轉錄因子）融合。這個系統可以在多種真核細胞的全基因組範圍內進行基因激活，但只有中等程度的激活（2-5倍）。

為了增強激活能力，開發了二代dCas9-SAM系統。該系統建立在基本的dCas9-VP64結構上，但其中的sgRNA是經修飾過的，可以募集額外的轉錄激活因子以達成協同激活作用。這種修飾的sgRNA包含了兩段可結合噬菌體MS2外殼蛋白二聚體的發卡結構。 MS2蛋白與另外的活化劑如p65和人熱休克因子1（HSF1）融合，這使得每個dCas9分子可以募集13個活化分子。

這個新的dCas9-SAM系統可以可靠地將基因表達從10倍增加到幾千倍。由於這個系統需要設計修飾的sgRNA，人們開發了第三代dCas9-SAM系統，也稱為dCas9-VPR系統。這個系統由VP64，p65和RTA融合而成，且不需要修改的sgRNA。因此，這大大簡化了設計過程。當與sgRNA文庫結合使用時，該系統還能夠支持大規模的全基因組功能激活，使其成為研究生物學過程和途徑的有力工具。

dCas9-SAM系統是一種，在不改變內源基因組的條件下，可以選擇性地上調特定靶基因表達的簡便方法。由於其強大的激活能力，該系統將成為跨越多種細胞類型的治療性干預、基因篩選工具。研究人員已經開始利用dCas9-SAM系統激活HIV-1轉錄，誘導細胞凋亡以及誘導休HIV-1前病毒休眠。

Figure2 – The dCas9-SAM transcriptional activation system. a) The dCas9-SAM system ismade up of a dCas9 fused to the transcriptional activator, VP64. Theaccompanying sgRNA can also be modified to contain two RNA aptamers for bindingwith MS2 coat proteins that are also fused to one p65 and one HSF1transcription activator. Adapted from Figure 1f of La Russa et al. (2015). b) Acomparison of the activation efficiency of dCas9-VP64 by itself (yellow) aswell as with the modified sgRNA system (green) in the activation of fourdifferent genes: HBG1, IL-1B, IL1R2, and ZFP42. Relative expression levels werequantified using qPCR, with fold changes determined by comparing with GFP-transfectedcells. Adapted from Figure 1b of Konermann et al. (2015). c) The dCas9-VPRsystem is composed of an ordered fusion of transcriptional activators VP64,p16, and RTA. This system does not require a specially modified sgRNA toachieve the same activation capability as the dCas9-SAM system. Adapted fromFigure 1a of Chavez et al. (2016). d) A comparison of the activationperformance of dCas9-VP64, dCas9-VPR, and dCas9-SAM of the RHOXF2 gene

dCas9-KRAB—CRISPRCas9基因抑制系統

單獨的dCas9與靶位點的結合在空間上可以干擾轉錄酶的結合，起到抑制靶向基因轉錄的作用，這一過程稱為CRISPRi（或CRISPR干擾）。這個簡單的CRISPRi系統可以高達1000倍抑制，有效敲低細胞中的基因表達。雖然這個系統在細菌，酵母和其他原核細胞中的表現相當好，但它在抑制哺乳動物細胞中的基因表達方面效果較差。

因此我們開發了dCas9-KRAB系統，在這個系統中，dCas9與Kox1的轉錄阻遏物結構域KRAB（Krüppel-associated box）融合。這種增強的CRISPRi系統依靠KRAB募集各種各樣的組蛋白修飾因子，通過形成異染色質的方式可逆地抑制基因表達。

該系統，在瞬時轉染期間可以高度特異性地使內源性真核基因表達降低60-80％。此外，在HeLa細胞中，穩定整合到基因啟動子區域的dCas9-KRAB可以使內源性基因產生5-10倍的抑制作用，當靶位點位於轉錄起始位點下游50-100bp時可產生100倍的抑制效應。 dCas9-KRAB對細胞生長沒有影響，使其成為無毒的基因沉默方法。

不同於其他經典的基因沉默方法，如RNAi（一種通過降解細胞質中mRNA來敲低基因表達的方法），dCas9-KRAB系統在DNA水平上提供可抑制。這使得高度特異性抑制非編碼RNA，miRNA，反義轉錄物和核定位的RNA成為可能。

Figure 3 – The dCas9-KRAB transcriptionalrepression system. a) dCas9 can be fused to KRAB, a transcriptional repressor.Adapted from Shalem et al. (2015). b) A comparison of relative CD71 expressionlevels in a dCas9 (blue) vs. a dCas9-KRAB (red) system targeted to CD71 usingthree different sgRNAs. Relative expression levels were determined from flowcytometry for CD71 protein expression. Adapted from Figure 3c of Gilbert et al. (2013).

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