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中美学者合作发表Cell:改造CRISPR系统用其捕捉基因组调控区

2017/08/26 来源:生物探索
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导读
美国德克萨斯西南医学中心的徐剑课题组和复旦大学生物医学研究院周峰课题组用改造过的CRISPR共同开发出一种创新的系统,用来分离和鉴定人类基因组中DNA调控序列。相关文章发表在8月24日的 cell上。


美国德克萨斯西南医学中心的徐剑课题组和复旦大学生物医学研究院周峰课题组共同开发出一种创新的系统,用来分离和鉴定人类基因组中DNA调控序列。相关文章以“In Situ Capture of Chromatin Interactions by Biotinylated dCas9”为题发表在8月24日的 cell上。复旦大学周峰教授主要做质谱仪的构建,以及蛋白分析等方面的内容。8月24日,Cell杂志同时刊登了中国学者的三篇论文,离上次中国学者同一期发4篇文章不足一个月。


研究非编码调控区的手段有限

基因组是人类DNA的全部,拥有近30亿个碱基对。但只有2%的基因组编码蛋白质。其余98%是由非编码区组成,非编码区调控蛋白编码基因何时何地被激活。这些非编码区一再被人类遗传学和癌症基因组研究确定为人类疾病如癌症的潜在驱动。但这些非编码区在染色体中大多数是未知的分子组成。

对这些调控区域和指导基因打开和关闭的基本原理如果有更好地了解,能够揭示疾病的发展和寻找新的治疗方法。然而,识别这些非编码区,了解它们如何工作的工具是有限的。这需要事先识别调控这些区域的蛋白质因子,这取决于是否有像抗体这样的试剂,而且常常需要复杂的遗传操作。

用改造过的CRISPR系统捕捉调控区域

发表在Cell上这项新的系统为深度研究这些调节性遗传元件铺平道路。这个体系叫做CAPTURE (CRISPR Affinity Purification in situ of RegulatoryElements),是通过CRISPR原位亲和纯化调控原件。该方法提供了同时分离基因组序列相关蛋白质以及它们的RNA和DNA的相互作用的方法。CAPTURE能让人们分离和分析调节DNA的整套蛋白因子,在癌症和干细胞中研究有多少不同的蛋白调控基因组功能将成为可能,也为寻找新的药靶提供全新的途径。


CAPTURE方法是通过对CRISPR基因组编辑系统再利用,包括CRISPR相关蛋白9(Cas9)。CAPTURE利用特定序列的向导RNA将体内生物素标记的、核酸酶缺陷去活化的Cas9(dCas9)直接靶向到研究人员想要的DNA元件然后通过生物素高效特异性纯化,dCas9连同其它蛋白质、与dCas9在染色体上位置(基因组位点)相关的RNA和DNA序列可以被分离,结合包括RNA-seq、蛋白质组学(Proteomics)和染色质三维结构(3C-seq)等分析方法进行研究。这使得在基因组中识别和鉴定调控区域及其相关蛋白成为可能。

CAPTURE技术的效果和优势

利用CAPTURE技术,作为原理的证明,研究人员成功地发现了许多已知的和新的人类端粒相关蛋白。接下来,研究人员发现了在人类血细胞中调控β-珠蛋白基因表达的增强子的调节机制。β珠蛋白是血红蛋白的重要组成部分。它的基因表达改变与遗传性血红蛋白紊乱(如镰状细胞病)有关,目前已影响到世界人口的5%。

通过调控因子分离DNA片段的常规技术中,比如现有的染色质免疫共沉淀(CHIP)技术则依赖于单个调控因子,而并不能纯化和分析单个调控序列所结合的多个调控因子以及三维结构。CAPTURE技术使位点特异性染色质调节的蛋白质组分析成为可能;CAPTURE技术还可以捕捉高分辨率的、与DNA远程识别的特异相互作用位点;可以分析鉴定基因组内任何调控序列的组成因子以及三维结构

CAPTURE可以对基因组进行无偏见的分析,为生物医学研究人员提供了一个强大的新工具来解读潜在的调节原则。这个新工具将提高我们对人类基因组和多种疾病遗传变异的认识。

参考资料

In Situ Capture of Chromatin Interactions by Biotinylated dCas9

Scientists characterize regulatory DNA sequences responsible for human diseases

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