PNAS：上海巴斯德所研發出在惡性瘧原蟲中進行基因編輯的新型遺傳操作工具

12月24日，國際重要學術期刊《美國科學院院報》（PNAS）在線發表了中國科學院上海巴斯德研究所江陸斌研究組題為「Epigenetic editing by CRISPR/dCas9 inPlasmodium falciparum」的最新研究論文。該研究成果為惡性瘧原蟲基因編輯提供了新的有效的遺傳操作工具，為惡性原蟲功能基因組學研究提供了強大的遺傳操作系統。

瘧疾與艾滋病、結核病一起被列為全球三大傳染性疾病。瘧原蟲是引起瘧疾的真核病原微生物，其中惡性瘧原蟲的感染致死率最高。分子水平的遺傳操作是研究惡性瘧原蟲病理學以及抗藥機制的重要工具。然而，瘧原蟲中通過同源重組機制進行基因修飾的效率極低，而且惡性瘧原蟲缺乏可運行RNAi機制的關鍵原件，因而對瘧原蟲的研究急需發展一種高效簡便的基因編輯工具。

圖A:CRISPR/dCas9-GCN5 系統激活基因表達示意圖與激活惡性瘧原蟲Rh4基因表達

圖B:CRISPR/dCas9-Sir2a系統抑制基因表達示意圖與抑制惡性瘧原蟲Eba-175基因表達

Cas9的兩個關鍵酶活位點被突變後的dCas9保留了結合DNA功能，但是失去了切割DNA的功能。將dCas9與一些表觀遺傳修飾因子相偶聯，可以高效地對特定基因進行轉錄水平的調節。江陸斌研究團隊利用CRISPR/dCas9系統，在惡性瘧原蟲中成功構建了基於表觀遺傳修飾的新型基因編輯工具。分別將dCas9與惡性瘧原蟲乙醯轉移酶（PfGCN5）和去乙醯化酶(PfSir2a)融合表達。在特異性sgRNA的引導下，dCas9重組蛋白可以在靶基因的轉錄起始位點（TSS）附近特異性調節染色質組蛋白乙醯化修飾水平，從而控制該基因表達的沉默或激活。運用此新型CRISPR/dCas9技術，該團隊分別對惡性瘧原蟲感染人體紅細胞的二個關鍵基因PfRh4和PfEBA-175成功地進行了表達調控，並誘導出相應的感染表型的變化。在此基礎上，該團隊進一步鑒定出惡性瘧原蟲生長必需基因PfSET1參與調節惡性瘧原蟲紅內期生長過程的分子基礎。該研究成果為惡性瘧原蟲基因編輯提供了新的有效的遺傳操作工具，為惡性原蟲功能基因組學研究提供了強大的遺傳操作系統。

博士研究生肖波為本文第一作者，江陸斌研究員為本文的通訊作者。該研究得到科技部國家重點研發計劃、國家科技重大專項、國家自然科學基金和美國國立衛生研究院（R01）等項目的資助。

ABSTRACT

Genetic manipulation remains a major obstacle for understanding the functional genomics of the deadliest malaria parasite Plasmodium falciparum. Although the CRISPR/Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeat/CRISPR-associated protein 9) system has been successfully applied to introduce permanent changes in the parasite genome, its use is still limited. Here we show that fusing different epigenetic effector domains to a Cas9 null mutant efficiently and specifically reprograms the expression of target genes in P. falciparum. By precisely writing and erasing histone acetylation at the transcription start site regions of the invasion-related genes reticulocyte binding protein homolog 4 (rh4) and erythrocyte binding protein 175 (eba-175), respectively, we achieved significant activation of rh4 and repression of eba-175, leading to the switch of the parasite invasion pathways into human erythrocytes. By using the epigenetic knockdown system, we have also characterized the effects of PfSET1, previously identified as an essential gene, on expression of mainly trophozoite- and schizont-specific genes, and therefore regulation of the growth of the mature forms of P. falciparum. This epigenetic CRISPR/dCas9 system provides a powerful approach for regulating gene expression at the transcriptional level in P. falciparum.

文章來源：

1. 中國科學院：上海巴斯德所研發出在惡性瘧原蟲中進行基因編輯的新型遺傳操作工具

http://www.cas.cn/syky/201812/t20181226_4675049.shtml

2.Bo Xiao, Shigang Yin, Yang Hu, Maoxin Sun, Jieqiong Wei, Zhenghui Huang, Yuhao Wen, Xueyu Dai, Huiling Chen, Jianbing Mu, Liwang Cui, and Lubin Jiang. Epigenetic editing by CRISPR/dCas9 in Plasmodium falciparum.PNAS published ahead of print December 24, 2018.

本期編輯：Annabella

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