索爾克研究所的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種新的技術(shù)，可以糾正DNA上的化學(xué)標(biāo)記中導(dǎo)致疾病的畸變，這種畸變會(huì)影響基因的表達(dá)方式。這些類(lèi)型的化學(xué)修飾，統(tǒng)稱(chēng)為表觀(guān)遺傳學(xué)或表觀(guān)基因組，在發(fā)育和疾病中越來(lái)越被認(rèn)為與基因組序列本身同等重要。

索爾克新技術(shù),它是在《科學(xué)》雜志上描述的5月4日,2017年,被用于模型與結(jié)腸癌相關(guān)的表觀(guān)基因組的突變和恢復(fù)適當(dāng)?shù)募谆Ｊ皆诟杉?xì)胞來(lái)自患者:Angelman綜合征(如),一種罕見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病往往誤診為自閉癥。除了建模和治療表觀(guān)遺傳疾病，這項(xiàng)技術(shù)還有望用于研究人類(lèi)發(fā)展和一般生物學(xué)。

Salk教授Juan Carlos Izpisua Belmonte說(shuō):“我們對(duì)這項(xiàng)工作為理解疾病過(guò)程和開(kāi)發(fā)有效的新療法開(kāi)辟了許多新途徑感到興奮。”“發(fā)現(xiàn)如何編輯基因組是一個(gè)巨大的進(jìn)步——這種編輯表觀(guān)基因組的技術(shù)是另一個(gè)飛躍。”

Izpisua Belmonte的實(shí)驗(yàn)室最近首創(chuàng)了一種方法來(lái)修改組成成人大部分組織的非分裂細(xì)胞的基因。這項(xiàng)新技術(shù)超越了基因的范疇，瞄準(zhǔn)了最常見(jiàn)的表觀(guān)遺傳變化，即DNA甲基化，即甲基群附著在DNA上的化學(xué)標(biāo)記。通常，這些標(biāo)簽標(biāo)志著基因已經(jīng)準(zhǔn)備好開(kāi)啟或關(guān)閉?？茖W(xué)家們?cè)絹?lái)越多地了解到，DNA甲基化涉及一系列生理和病理過(guò)程，從胚胎發(fā)育到生命后期某些疾病(包括癌癥)的發(fā)病。研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在短DNA序列上改變甲基化狀態(tài)的方法，但到目前為止，還沒(méi)有人能夠使這種改變?cè)诖蠓秶鷥?nèi)保持下去(這是基因正常激活或失活的先決條件)。

因?yàn)?0%的哺乳動(dòng)物DNA是甲基化的，Izpisua Belmonte實(shí)驗(yàn)室對(duì)未甲基化的區(qū)域很好奇。矛盾的是，這些區(qū)域往往富含潛在的甲基化位點(diǎn)，而且往往靠近基因轉(zhuǎn)錄信息開(kāi)始的區(qū)域。然而，這些被稱(chēng)為CpG島的區(qū)域，通常未甲基化。

研究人員推測(cè)，干擾CpG島可能會(huì)引發(fā)新的甲基化。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，該團(tuán)隊(duì)首先使用分子工具將沒(méi)有CpGs的DNA插入到靠近MLH1基因的島上。MLH1通常是未甲基化的，但如果它被甲基化，就會(huì)增加患結(jié)腸癌的風(fēng)險(xiǎn)。該小組能夠模擬結(jié)腸癌基因中異常的甲基化，作為一項(xiàng)原則的證明，從而開(kāi)始了解異常的甲基化是如何與癌癥相關(guān)的。

“關(guān)于CpG島，有趣的是它們能抵抗甲基化，”索爾克研究助理、論文第一作者Yuta Takahashi說(shuō)。“但通過(guò)引入無(wú)cpg DNA，我們可以推翻阻止它的機(jī)制，然后誘導(dǎo)整個(gè)島的DNA甲基化。”

由于知道它們可以在不屬于它們的地方誘導(dǎo)甲基化，研究小組接下來(lái)嘗試在它們屬于基因組但缺失的地方(比如在某些疾病中)附加甲基標(biāo)記。Angelman綜合征(AS)是由于DNA甲基化異常導(dǎo)致神經(jīng)元中UBE3A蛋白缺失所致。這會(huì)導(dǎo)致患者的認(rèn)知缺陷。通過(guò)使用他們的技術(shù)，研究小組糾正了異常的DNA甲基化，并在培養(yǎng)皿中恢復(fù)了作為神經(jīng)元細(xì)胞的UBE3A蛋白水平。

研究人員表示，最令人興奮的是，他們引入的所有甲基化模式都是穩(wěn)定的，而其他表觀(guān)遺傳學(xué)技術(shù)則不是這樣。即使去除無(wú)cpg的DNA也不會(huì)影響新的甲基化。這一發(fā)現(xiàn)提供了一種重寫(xiě)CpG島表觀(guān)遺傳標(biāo)記的方法，也為深入了解CpG島受DNA甲基化保護(hù)的機(jī)制提供了思路。

“我們開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，可以在多能干細(xì)胞中對(duì)CpG islands的DNA甲基組進(jìn)行強(qiáng)大的編輯，這真是太棒了，這將有助于開(kāi)發(fā)表觀(guān)遺傳疾病的細(xì)胞替代療法，”索爾克研究所的科學(xué)家、論文的合著者之一吳俊(Jun Wu)說(shuō)。“但通過(guò)發(fā)現(xiàn)DNA甲基化的潛在機(jī)制，我們希望利用這項(xiàng)技術(shù)做得更多。”