來自于微生物的II型規(guī)律成簇短回文重復(fù)序列系統(tǒng)（Type II CRISPR）自從2012年被改造為基因編輯工具后，帶來了生物學(xué)研究、疾病治療以及農(nóng)作物育種等方面的一系列革命性進(jìn)展，并有望在未來持續(xù)改變世界。然而，難以實(shí)現(xiàn)特異細(xì)胞的精準(zhǔn)調(diào)控限制了CRISPR基因編輯體系的應(yīng)用。

miRNA是一類長(zhǎng)度約22個(gè)堿基的核糖核酸分子，廣泛表達(dá)于植物，動(dòng)物以及病毒中。其表達(dá)譜呈現(xiàn)細(xì)胞特異性，即特定細(xì)胞一般會(huì)高表達(dá)某一個(gè)或幾個(gè)miRNA，例如，心臟細(xì)胞高表達(dá)miR-1，而肝臟細(xì)胞高表達(dá)miR-122，不同的癌癥組織也會(huì)表達(dá)不同的miRNA。因此，特定miRNA的表達(dá)可以用作指征細(xì)胞發(fā)育或疾病狀態(tài)的標(biāo)志物。然而，由于miRNA一般抑制基因的表達(dá)，迄今尚未有直接、靈敏且正向反應(yīng)miRNA活性的生物傳感器。

在最新的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們將miRNA傳感器和精準(zhǔn)控制CRISPR體系結(jié)合在一起考慮的時(shí)候，上述兩個(gè)問題都迎刃而解。

來自北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所汪陽明研究組發(fā)明了一種由微小核糖核酸(miRNA)控制CRISPR開啟的技術(shù)平臺(tái)，開發(fā)出了在活細(xì)胞中監(jiān)測(cè)miRNA活性的傳感器，成功實(shí)現(xiàn)了CRISPR基因編輯體系的細(xì)胞特異調(diào)控。

這一研究成果公布在2月25日的Nature Cell Biology，文章一作是王茜雯和胡魯峰。研究人員表示目前發(fā)明已申請(qǐng)專利。

MICR: miRNA誘導(dǎo)啟動(dòng)的CRISPR基因編輯平臺(tái)

汪陽明研究組發(fā)明的miRNA誘導(dǎo)啟動(dòng)的CRISPR基因編輯平臺(tái)（MICR，miRNA-inducible CRISPR-Cas9 platform），簡(jiǎn)單地說，就是給基因編輯平臺(tái)安上了一個(gè)開關(guān)，這個(gè)開關(guān)只有特定miRNA才能打開，因此可以只在特定的細(xì)胞或組織中開啟基因編輯，而不影響其他組織和細(xì)胞。

CRISPR基因編輯體系分為兩個(gè)部分，一個(gè)由蛋白質(zhì)（Cas9或者Cas9突變體融合蛋白）組成，執(zhí)行基因編輯或控制基因表達(dá)的任務(wù)；另一個(gè)是sgRNA，介導(dǎo)Cas9蛋白質(zhì)在基因組特定位置的結(jié)合。研究人員通過設(shè)計(jì)具有miRNA結(jié)合位點(diǎn)的沒有活性的sgRNA前體，使得只有在特定miRNA表達(dá)的細(xì)胞中，才會(huì)通過miRNA介導(dǎo)的切割反應(yīng)產(chǎn)生成熟的sgRNA, 繼而引導(dǎo)CRISPR基因編輯體系（包括堿基編輯、激活或者抑制特定基因表達(dá)）啟動(dòng)工作。這一改造實(shí)現(xiàn)了對(duì)CRISPR基因編輯系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，有望增強(qiáng)其在疾病治療過程中的安全性和有效性。

在該研究中，通過將MICR與熒光蛋白表達(dá)相偶聯(lián)，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞水平miRNA活性的可視化監(jiān)測(cè)，并用以指征干細(xì)胞的分化狀態(tài)。由于sgRNA的數(shù)目不受限制，因此該平臺(tái)可以感知多個(gè)miRNA并對(duì)不同基因位點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。

作為這一概念的佐證，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了在同一細(xì)胞中感知兩種miRNA分別開啟綠色或紅色熒光蛋白表達(dá)，并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的“或門”計(jì)算。

另外，利用MICR報(bào)告基因平臺(tái)，研究人員首次在胚胎干細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了miRNA活性呈現(xiàn)不均一調(diào)控的異質(zhì)性現(xiàn)象，且該異質(zhì)性與干細(xì)胞發(fā)育和分化相關(guān)基因的表達(dá)水平顯著關(guān)聯(lián)。MICR平臺(tái)有望廣泛應(yīng)用于動(dòng)植物及病毒相關(guān)系統(tǒng)的研究，成為揭示生物學(xué)新現(xiàn)象、新規(guī)律和新機(jī)制的利器。

此外，MICR也將為合成生物學(xué)、基于基因編輯體系的基因治療提供新的技術(shù)手段和思路。

來源：生物通

原文標(biāo)題：

A microRNA-inducible CRISPR-Cas9 platform serves as microRNA sensors and cell type specific genome regulation tools

http://dx.doi.org/10.1038/s41556-019-0292-7