小编说

之前几期介绍了CRISPR的基础知识和部分应用。本期介绍了CRISPR用于表观遗传学的编辑，简要的说就是dCas蛋白上融合一个特殊的蛋白结构域，dCas9和向导RNA完成靶向的功能，而特殊结构域完成靶向位点的修饰（比如甲基化）。修饰的位点可以是DNA，也可以是DNA附近的组蛋白；修饰方式可以甲基化、乙酰化，也有用于DNA单位点编辑。

类似于调节转录的方式，序列特异性DNA结合蛋白可以招募表观遗传修饰蛋白，从而给特定的位点进行表观基因组重塑。之前已有文章报导，表观遗传修饰蛋白融合的ZFs和TALE可以改变它们的靶DNA位点的表观遗传标记，这可以导致相关基因表达的变化1-3。一些研究组还报道了使用dCas9系统来实现特异性表观遗传编辑4-6。Kearns等人5将Nm dCas9与组蛋白脱甲基酶LSD1融合，接着，他们将其靶向基因的增强子（如Oct4，Tbx3），其对维持小鼠胚胎干细胞（mESC）多能性至关重要。研究表明Nm dCas9-LSD1有效抑制了靶向增强子控制基因的表达，降低了靶向Tbx3增强子区域附近的表观遗传标记H3K4me2和H3K27ac的表达水平，同时也显示出细胞形态学改变。另一项研究表明，当靶向HS2增强子时，dCas9-KRAB融合能够诱导H3K9三甲基化（H3K9me3），并抑制由HS2增强子调节的珠蛋白基因的表达7。

与上述不同的方法稍有不同，Hilton等将Sp dCas9和Nm dCas9融合到组蛋白乙酰转移酶p300的催化核心结构域（分别为Sp dCas9-p300 core和Nm dCas9-p300 core）。作者能够通过靶向启动子或增强子区域激活几种内源基因的表达，并且用全基因组RNA测序来证明激活是特异性的。当靶向HS2增强子时，dCas9-p300 core增加靶向增强子和其下游基因启动子的H3K27乙酰化水平。上述研究4-6表明dCas9融合蛋白可以作为序列特异性的合成表观基因组修饰物，其不仅改变局部表观遗传状态，而且改变相关基因的基因表达。鉴于广泛的表观遗传标记，从DNA甲基化到组蛋白修饰，到未来开发出基于dCas9的表观遗传修饰的完整工具包。当然，同基因组编辑一样，其脱靶效应和毒性需要充分研究。

参考文献

1 Mendenhall, E. M. et al. Locus-specific editing of histone modifications at endogenous enhancers. Nat Biotechnol31, 1133-1136, doi:10.1038/nbt.2701 (2013).
2 Snowden, A. W., Gregory, P. D., Case, C. C. & Pabo, C. O. Gene-specific targeting of H3K9 methylation is sufficient for initiating repression in vivo. Current biology : CB12, 2159-2166 (2002).
3 Maeder, M. L. et al. Targeted DNA demethylation and activation of endogenous genes using programmable TALE-TET1 fusion proteins. Nat Biotechnol31, 1137-1142, doi:10.1038/nbt.2726 (2013).
4 Hilton, I. B. et al. Epigenome editing by a CRISPR-Cas9-based acetyltransferase activates genes from promoters and enhancers. Nat Biotechnol33, 510-517, doi:10.1038/nbt.3199 (2015).
5 Kearns, N. A. et al. Functional annotation of native enhancers with a Cas9-histone demethylase fusion. Nat Methods12, 401-403, doi:10.1038/nmeth.3325 (2015).
6 Wang, F. & Qi, L. S. Applications of CRISPR Genome Engineering in Cell Biology. Trends Cell Biol26, 875-888, doi:10.1016/j.tcb.2016.08.004 (2016).
7 Thakore, P. I. et al. Highly specific epigenome editing by CRISPR-Cas9 repressors for silencing of distal regulatory elements. Nat Methods12, 1143-1149, doi:10.1038/nmeth.3630 (2015).