麻省理工学院研究人员利用一种最初为删除特定基因而开发的基因编辑系统，现已证明，他们能够在活细胞中可靠地开启任意选定基因。
麻省理工学院脑与认知科学系和生物工程系W.M. Keck职业发展教授、Broad研究所及麻省理工学院麦戈文脑研究所成员张锋表示，这项CRISPR/Cas9基因编辑系统的新应用应能帮助科学家更轻松地确定单个基因的功能。
这种方法还可对整个基因组进行快速功能筛查，使科学家能够识别参与特定疾病的基因。在发表于《自然》杂志12月10日网络版的一项研究中，张锋及其同事发现了若干有助于黑色素瘤细胞对一种抗癌药物产生耐药性的基因。
张锋实验室的研究生Silvana Konermann和麦戈文研究所博士后Mark Brigham是该论文的共同第一作者。
CRISPR的新功能
CRISPR系统依赖细胞机制；细菌利用这一机制抵御病毒感染。研究人员此前已利用这一细胞系统构建基因编辑复合体，其中包括一种名为Cas9的DNA切割酶。Cas9与一段短RNA引导链结合，该引导链经过编程，可与特定基因组序列结合，从而指示Cas9在哪里切割。
过去两年里，科学家已将Cas9开发为关闭基因或用不同版本替换基因的工具。在这项新研究中，张锋及其同事对Cas9系统进行了改造，使其能够开启基因，而非将其敲除。
科学家此前曾尝试利用经过单独设计、可靶向特定DNA位点的蛋白质来实现这一目标。然而，这些蛋白质很难操作。Konermann说：“如果使用较早一代的工具，让这项技术实现你真正想要的功能，本身就得做一个项目。这需要大量时间，而且成本也相当高。”
研究人员也曾尝试通过使Cas9酶中负责切割DNA的部分失活，并将Cas9与称为激活结构域的蛋白质片段连接，来利用CRISPR开启基因。这些结构域会招募细胞机制，以启动从DNA读取并复制RNA的过程，这一过程称为转录。
然而，这些尝试未能持续稳定地开启基因转录。张锋及其同事、东京大学的Osamu Nureki和Hiroshi Nishimasu，决定根据他们今年早些时候发表的 一项分析 ，彻底改造CRISPR-Cas9系统；该分析研究了Cas9与引导RNA及其靶DNA结合时形成的结构。张锋说：“了解它的三维形状后，我们就能思考如何以理性方式改进这个系统。”
此前，科学家曾尝试将激活结构域连接到Cas9蛋白的任一端，但成效有限。通过结构研究，麻省理工学院团队发现，RNA引导链上有两个小环从Cas9复合体中伸出，可能是更好的连接位点，因为它们能让激活结构域在招募转录机制时拥有更大的灵活性。
研究人员利用改进后的系统激活了约十几个基因；此前一代Cas9激活剂已证明很难或不可能开启这些基因。每个基因的转录水平至少提升了两倍；对于许多基因，研究人员发现其激活水平提升了多个数量级。
全基因组规模的激活筛查
研究人员证明该系统能有效激活基因后，建立了一个包含70,290条引导RNA的文库，靶向人类基因组中20,000多个基因的全部基因。
他们对该文库进行筛查，以识别能够赋予细胞对一种名为PLX-4720的黑色素瘤药物耐药性的基因。这类药物对黑色素瘤细胞中BRAF基因发生突变的患者疗效良好，但在治疗后存活的癌细胞可能生长为新肿瘤，从而导致癌症复发。
为发现帮助细胞产生耐药性的基因，研究人员将CRISPR组分导入实验室培养的大量黑色素瘤细胞中，每个细胞都接受一条不同的引导RNA，分别靶向不同基因。用PLX-4720处理细胞后，他们发现了若干有助于细胞存活的基因——其中一些此前已知与药物耐药性有关，另有数个是新的靶点。
此类研究或可帮助研究人员发现新型抗癌药物，防止肿瘤产生耐药性。
Konermann说：“可以从一种靶向突变BRAF的药物入手，同时联合治疗那些能让细胞存活的基因。如果同时靶向二者，就很可能防止细胞产生耐药机制，使其在药物治疗下仍能继续生长。”
科学家曾尝试通过病毒递送单个基因的方式开展此类大规模筛查，但这种方法并不适用于所有基因。
未参与这项研究的丹娜-法伯癌症研究所医学副教授Levi Garraway说：“这项新技术或许能让你筛查范围更广的基因，了解它们是否发挥作用。这确实是一篇技术开发方面的论文，但药物耐药性筛查令人振奋的结果，展现了这一方法丰富的生物学潜力。”
张锋的实验室还计划利用这项技术筛查相关基因：这些基因一旦被激活，或可纠正自闭症或阿尔茨海默病等神经退行性疾病的影响。他还计划通过Addgene存储库，向希望使用这些试剂的学术实验室提供所需试剂。
这项研究由美国国家精神卫生研究所、美国国家神经疾病与卒中研究所以及Keck、Searle Scholars、Klingenstein、Vallee和Simons基金会资助，Bob Metcalfe也提供了资助。
本文由 麻省理工学院新闻合作发布。本文的发布并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Anne Trafton是麻省理工学院新闻的撰稿人。
图片：2011年5月23日，慕尼黑一家实验室储存的人类遗传物质。路透社/Michael Dalder。