《Current Opinion in Biomedical Engineering》：Rewriting the epigenome: CRISPR tools for biological discovery and therapeutics
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CRISPR表观遗传编辑技术通过调控DNA甲基化、组蛋白修饰及三维染色质结构实现精准基因表达调控，为癌症、神经退行性疾病等治疗提供新策略，但临床转化面临递送效率和体内编辑效果挑战，需开发更安全持久工具。
Christian P. Otero | Lei S. Qi
斯坦福大学化学工程系，美国加利福尼亚州斯坦福市 94305
摘要
真核生物的表观基因组通过动态的、多层次的生化修饰来调控基因表达、细胞身份和发育，这些修饰作用于DNA、组蛋白和染色质结构。这些调控机制的紊乱会导致多种人类疾病，包括癌症、神经退行性疾病和免疫系统疾病。靶向表观基因组编辑技术为发现新机制和制定治疗策略提供了可能性，因为它能够在不改变DNA序列的情况下纠正异常的表观遗传状态。将催化活性丧失的CRISPR-Cas（dCas）分子与表观遗传效应域融合，形成了一个多功能平台，可以实现对染色质状态的可编程、定位特异性调控。基于CRISPR的表观遗传编辑器能够沉积或去除所需的表观遗传标记，并改变三维基因组结构，从而以高特异性微调基因表达。最近的发展通过引入新的效应域、提升多重编辑能力以及实现大规模基因筛选，为不同细胞环境下的功能基因组学研究带来了新的见解。然而，临床应用仍面临递送效率低下和体内编辑效果不佳的问题。本文综述了基于CRISPR的表观基因组编辑技术的最新进展，重点介绍了其在原代细胞中的应用、新工具的开发，以及表观基因组调控在安全、持久和精准治疗方面的潜力。
部分摘录
主要内容
表观基因组是控制真核生物动态基因表达和细胞命运的关键调控层，它充当了基因组与转录机制之间的接口[1]。表观遗传调控涵盖了多个空间和时间尺度，从核苷酸和组蛋白的修饰到千碱基和兆碱基级别的三维（3D）染色质结构（图1A）。这些层面在发育、分化和细胞响应过程中不断动态变化。
CRISPR表观遗传操作在功能基因组学中的应用：一种生物学发现工具
尽管CRISPRi/a主要作为一种转录调控工具，但它已成为功能基因组学的强大工具，能够进行大规模的基因抑制、激活以及调控元件（如启动子和增强子）的扰动筛选。然而，由于CRISPR递送和原代人类细胞（如免疫细胞或神经元）培养的挑战，大多数筛选研究仅限于永生化细胞系。扩大CRISPR筛选的范围
超越CRISPR-Cas9的新表观基因组编辑器和工具的开发
虽然CRISPRi/a已成为功能基因组学的重要工具，但它们对转录的影响通常是短暂的，需要持续表达dCas融合蛋白来维持基因调控。这种持续表达在治疗应用中可能会带来问题，例如递送限制和细菌蛋白可能被免疫系统识别。这些挑战促使人们致力于开发具有更强表观遗传和转录调控能力的效应分子。
临床中的表观基因组编辑疗法：下一步是什么？
表观基因组编辑为纠正与疾病相关的基因失调提供了一种有前景且可能更安全的替代方法。它通过针对染色质的靶向且可逆的修饰来重新编程基因表达状态（图3A），从而降低了永久性脱靶突变、基因组不稳定或双链DNA断裂相关免疫反应的风险。
限制与未来展望
目前治疗性精准表观基因组编辑技术正在迅速发展，但在广泛临床应用之前仍需解决一些挑战。随着新的表观遗传效应域的发现和整合到编辑工具中，对其潜在毒性和脱靶活性的担忧日益重要。许多效应分子来源于内源性蛋白质，仍可能表现出不受引导因子影响的活性，从而导致意外的表观遗传变化。
结语
基于CRISPR的表观基因组编辑正迅速发展成为一种安全、持久的细胞工程和体内基因治疗的可行策略。在传统基因编辑的基础上，表观基因组编辑工具由于其更高的安全性，可能具有更大的治疗潜力。开发能够诱导长期表观遗传记忆的编辑器将使得从癌症免疫治疗到基于干细胞的再生医学等领域的细胞重编程成为可能。
利益声明
?作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
L.S.Q.是Epicrispr Biotechnologies的创始人。C.P.O.没有其他财务利益冲突。
致谢
本研究得到了NIH国家癌症研究所（R01CA266470项目）的支持。C.P.O.还获得了国家科学基金会研究生研究奖学金计划（DGE-2146755项目）和Sarafan ChEM-H化学-生物界面培训计划的支持。L.S.Q.得到了NIH国家老龄化研究所（R21AG077193项目）、NSF CAREER奖（编号2046650）以及Chau Hoi Shuen基金会的支持。L.S.Q.是Chan-Zuckerberg研究员。本文内容仅代表作者个人观点。
