實時把握基因組編輯/合成生物學理論，技術和應用的最新進展

基因組編輯 (Genome editing) 和合成生物學 (Synthetic biology) 是近年來快速發展起來的生命科學的新興學科。全面合理地解決所涉及的理論，技術和具體操作層面的挑戰，以及倫理問題是實現人們改造自身和生存環境願望的必要前提。國內和國外的華人科學家在這兩個學科的基礎，技術和應用方面做出了令人矚目的突破性工作。

魏文勝

北京大學生命科學院，研究員 北大-清華生命科學聯合中心，研究員 北京大學BIOPIC, 研究員 北京未來基因診斷高精尖創新中心，研究員

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主題報告

2018 年 6 月 9 日上午 08:40-09:20 主題報告 和下午 16:40-16:55 理念和技術上的挑戰

Dissection of functional big data in biological contexts

We have previously developed a high-throughput screening method using CRISPR/Cas9 system, which has been broadly applied in the functional studies of coding genes, and have established the first high-throughput screening strategy for functional investigation of long noncoding RNAs (lncRNAs) using a lentiviral paired gRNA library. We have recently developed a new approach for genome-wide screening of lncRNAs, a high-throughput method to study the function of topologically associating domains and active chromatin hubs, and, a novel approach for mapping functional elements at single amino acid resolution. These high-throughput strategies will facilitate the accurate and rapid identification of functional genomic elements in various settings, especially in disease related studies.

科研成果

新近代表性科研成果簡介：

Nat Commun： 首次全面解碼了 TALE 蛋白對 DNA 表觀修飾 5 - 甲基胞嘧啶（5mC）和 5 - 羥甲基胞嘧啶（5hmC）的特異性識別

Zhang Y, Liu L, Guo S, Song J, Zhu C, Yue Z, Wei W* and Yi C*. (2017) Deciphering TAL effectors for 5-methylcytosine and 5-hydroxymethylcytosine recognition. Nat Commun 8(1): 901.

魏文勝研究員團隊與伊成器研究員團隊，聯合篩選了全部理論上的 RVD 組合對 5mC 及 5hmC 這兩種重要表觀遺傳修飾的識別，並由此鑒定出 5mC、5hmC 的特異性及簡併性識別 RVD。應用這些新型 RVD，該研究實現了活細胞中甲基化依賴的基因激活和基因編輯，也在體外實現了單鹼基解析度的 5hmC 檢測。這項工作為基於 TALE 蛋白的甲基化特異性基因激活、抑制及基因編輯等提供了依據。

Cell Res. ：TALE 蛋白對 5 - 甲基胞嘧啶及 5 - 羥甲基胞嘧啶的特異識別的全面解碼

Zhou Y, Wang P, Tian F, Gao G, Huang L*, Wei W* and Xie X.S* (2017) Painting A Specific Chromosome with CRISPR/Cas9 for Live-cell Imaging. Cell Res. 27, 298-301.

TALE 蛋白是二代基因編輯工具 TALEN 的核心識別模塊；其由若干個長約 34 個氨基酸的重複單元組成，每個重複單元利用第 12、13 個氨基酸（RVD, repeat-variable diresidue）與 DNA 鹼基發生相互作用，從而實現對 DNA 的序列特異性識別。因為 RVD 與 DNA 鹼基直接相互作用，所以 TALE-DNA 相互作用對 DNA 修飾敏感；而作為第三代基因編輯工具的 CRISPR/cas 則不具備這一特點。在這項工作中，研究團隊篩選了全部理論上的 RVD 組合對 5mC 及 5hmC 這兩種重要表觀遺傳修飾的識別，並由此鑒定出 5mC、5hmC 的特異性及簡併性識別 RVD。應用這些新型 RVD，該研究實現了活細胞中甲基化依賴的基因激活和基因編輯，也在體外實現了單鹼基解析度的 5hmC 檢測。這項工作為基於 TALE 蛋白的甲基化特異性基因激活、抑制及基因編輯等提供了依據。

Nat Biotechnol: 建立長非編碼 RNA 的高通量功能性篩選新方法

Zhu S, Li W, Liu J, Chen C-H, Liao Q, Xu P, Xu H, Xiao T, Cao Z, Peng J, Yuan P, Brown M, Liu XS* & Wei W*. (2016) Genome-scale deletion screening of human long non-coding RNAs using a paired-guide RNA CRISPR library. Nat Biotechnol doi:10.1038/nbt.3715.

魏文勝研究組和哈佛大學公共衛生學院劉小樂（Shirley Liu）研究組合作，建立了 paired-guide RNA（pgRNA）文庫的構建方法，通過 pgRNA 引入的基因組大片段刪除來破壞 lncRNA 表達及功能，並由慢病毒介導在多個癌細胞系中實現了功能篩選，從～12,000 pgRNA 的 CRISPR 文庫中成功鑒定出正向及負向調控癌細胞增殖的 lncRNA。論文通過多種遺傳學手段驗證了候選 lncRNA 的功能，並通過生物信息分析和表達譜測序探究了其發揮作用的機制。有趣的是，通過分析候選 lncRNA 在腫瘤細胞發展不同階段的表達水平，發現篩選得到的正向調控細胞增殖的 lncRNA 發揮致癌作用，而負向調控細胞增殖的 lncRNA 發揮抑癌作用。這是首次實現對於非編碼元件的基因組水平的功能篩選，這一高通量技術平台的建立不僅有助於人們研究影響細胞增殖的非編碼元件，還可以用於篩選發揮其他重要作用的非編碼元件或者基因組中的功能未注釋區域。

Nature: 建立一種基於 CRISPR/Cas9 系統的慢病毒聚焦型人源細胞文庫、功能性基因篩選平台以及基於高通量深度測序技術解析數據的完整技術路線。

魏文勝課題組開發了一種基於 CRISPR/Cas9 系統的慢病毒聚焦型人源細胞文庫、功能性基因篩選平台以及基於高通量深度測序技術解析數據的完整技術路線。利用這一高效的新型遺傳篩選技術，成功鑒定出對兩種細菌毒素侵染宿主所必需的宿主受體、以及多種新型蛋白位點。這一強大的高通量基因篩選技術的建立不僅能夠幫助人們研究與病菌侵染相關的宿主蛋白及通路，還可以惠及眾多生物醫學相關領域的研究。這項具有里程碑意義的工作是在激烈的國際競爭中完成，與已經在《科學》雜誌發表的兩篇主題相近的文章比較，該工作所報道的方法具有更為廣泛的細胞系適應性，對於功能性基因的篩選和鑒定具有十分重要的意義。

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