徐說生物110期：利用CRISPR/Cas9標記DNA舞蹈

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CRISPR/Cas9標記DNA舞蹈

DNA在轉錄期間發生抽動，讓相距較遠的基因組區域接觸，從而增強基因表達。研究人員利用熒光分子標記DNA片段，用一種稱為嵌合gRNA寡核苷酸陣列（chimeric array of gRNA oligo, CARGO）的技術揭示出這種「DNA舞蹈」。它是CRISPR/Cas9基因編輯工具的一種變體。

老徐曰：這是神奇的CRISPR/Cas9基因編輯工具的一種變體。

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用CRISPR-Cas-9鑽進癌細胞心窩

在癌症研究領域，「Cas-9–sgRNA」複合物是一種有效的基因編輯工具，但是其穿過細胞膜接觸腫瘤細胞基因組的能力非常低。來自美國和丹麥的科學家們現在開發了一種可以運動的納米馬達，可以有效輸送並釋放這種基因魔剪系統。

目前用於基因編輯的工程化CRISPR系統包含兩個組分：一個單鏈引導RNA（sgRNA）和Cas-9核酸酶,其中sgRNA可以引導Cas-9核酸酶結合特異的基因序列，隨後核酸酶發揮其基因編輯功能。

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細胞事件記錄器---CAMERA

科學家很早以前就意識到為了理解細胞組分如何在最為基礎的水平上發揮作用，他們需要一種方法來記錄細胞發生的變化，以及對導致這些變化的原因作出的一種可能的解釋。

在第一種被稱為「CAMERA 1」的細胞記錄系統中，這兩名研究人員將兩種彼此之間略有不同的質粒注射到細菌細胞中，隨後在接觸到所需的刺激物期間，利用CRISPR-Cas9對這兩種質粒中的一種進行切割，從而誘導細胞產生另一種質粒來取代它。這樣做就會在事件發生時記錄它們。

在第二種被稱為「CAMERA 2」的細胞記錄系統中，當所需的信號在細胞中發生時，這兩名研究人員利用鹼基編輯器（base editor）改變遺傳密碼中的單個鹼基。利用這種技術，他們記錄當接觸病毒、營養物和抗生素等刺激物時，細胞如何作出反應。

老徐曰：簡而言之，這相當於一種「黑盒子（black box）」來記錄細胞在它的一生當中發生的所有事件。

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利用CRISPR修飾表觀基因組

我記得秋季課上講過，為了產生iPSC，科學家們過表達4種轉錄因子：Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc。

在最近一項新的研究中，研究人員利用一種表觀遺傳CRISPR技術激活僅一種轉錄因子---Sox2或者Oct4---的一個內源性基因拷貝，就將小鼠胚胎成纖維細胞轉換為ipsC。

該技術由一種經過修飾的沒有核酸酶活性的Cas9（dCas9）和蛋白結合結構域組成。當與嚮導RNA（gRNA）結合在一起時，dCas9靶向一個特定的基因組位點，並且招募一種經過修飾結合到這些特定結構域上的轉錄激活蛋白（transcriptional activator protein）。研究人員通過轉染這種人工轉錄因子系統和18種gRNA（到小鼠胚胎成纖維細胞中，成功地產生了ipsC。

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一次性多重核酸檢測平台

在一項新的研究中，之前首次開發出一種快速而又廉價的高度靈敏的基於CRISPR的診斷工具---被稱作SHERLOCK（Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing）---的研究人員極大地增強了這種工具的功能，並且開發出一種微型試紙條測試方法，這種測試方法允許用肉眼觀察到測試結果，而無需使用昂貴的設備。

成功的關鍵在於一種被稱作Cas13的CRISPR相關蛋白，這種蛋白經編程後結合到一段特定的RNA片段上。Cas13的靶標能夠是任何基因序列，包括病毒基因組、在細菌中賦予抗生素耐藥性的基因或者導致癌症的突變。在某些情況下，一旦Cas13定位到並切割它指定的靶標，這種酶就會超速運轉，從而不加區別地切割附近的其他RNA。

老徐曰：不要小瞧這些高通量的技術，會帶來意想不到的理論突破的。

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新的CRISPR/Cas9系統

天然的CRISPR/Cas9系統發現於大多數細菌和古生菌中，它們組成了細菌的免疫系統以保護細菌免受病毒的傷害。為了保護細菌，一條長的RNA分子會首先被切成很多更小的單元。隨後一種酶就可以使用一對RNA剪刀去剪切RNA分子以保護細菌。天然的CRISPR/Cas9系統通常自行工作：它們會在不同的細菌間快速交換，同時不依賴於宿主的其他蛋白。當然現有流行的CRISPR/Cas9系統中也有例外，某些系統會使用宿主的RNA酶3作為RNA剪刀。

近日一個由德國弗萊堡大學的研究團隊發現了一種新酶——一種涉及CRISPR/Cas9系統以及調節基因正常表達的特殊RNA剪刀。

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