新的工具提供了有针对性的稳定的编辑人类干细胞表观基因组

索尔克研究所的科学家们开发了一种新的技术，可以纠正DNA上的化学标记中导致疾病的畸变，这种畸变会影响基因的表达方式。这些类型的化学修饰，统称为表观遗传学或表观基因组，在发育和疾病中越来越被认为与基因组序列本身同等重要。

索尔克新技术,它是在《科学》杂志上描述的5月4日,2017年,被用于模型与结肠癌相关的表观基因组的突变和恢复适当的甲基化模式在干细胞来自患者:Angelman综合征(如),一种罕见的神经退行性疾病往往误诊为自闭症。除了建模和治疗表观遗传疾病，这项技术还有望用于研究人类发展和一般生物学。

Salk教授Juan Carlos Izpisua Belmonte说:“我们对这项工作为理解疾病过程和开发有效的新疗法开辟了许多新途径感到兴奋。”“发现如何编辑基因组是一个巨大的进步——这种编辑表观基因组的技术是另一个飞跃。”

Izpisua Belmonte的实验室最近首创了一种方法来修改组成成人大部分组织的非分裂细胞的基因。这项新技术超越了基因的范畴，瞄准了最常见的表观遗传变化，即DNA甲基化，即甲基群附着在DNA上的化学标记。通常，这些标签标志着基因已经准备好开启或关闭。科学家们越来越多地了解到，DNA甲基化涉及一系列生理和病理过程，从胚胎发育到生命后期某些疾病(包括癌症)的发病。研究人员已经发现了在短DNA序列上改变甲基化状态的方法，但到目前为止，还没有人能够使这种改变在大范围内保持下去(这是基因正常激活或失活的先决条件)。

因为80%的哺乳动物DNA是甲基化的，Izpisua Belmonte实验室对未甲基化的区域很好奇。矛盾的是，这些区域往往富含潜在的甲基化位点，而且往往靠近基因转录信息开始的区域。然而，这些被称为CpG岛的区域，通常未甲基化。

研究人员推测，干扰CpG岛可能会引发新的甲基化。为了验证这一假设，该团队首先使用分子工具将没有CpGs的DNA插入到靠近MLH1基因的岛上。MLH1通常是未甲基化的，但如果它被甲基化，就会增加患结肠癌的风险。该小组能够模拟结肠癌基因中异常的甲基化，作为一项原则的证明，从而开始了解异常的甲基化是如何与癌症相关的。

“关于CpG岛，有趣的是它们能抵抗甲基化，”索尔克研究助理、论文第一作者Yuta Takahashi说。“但通过引入无cpg DNA，我们可以推翻阻止它的机制，然后诱导整个岛的DNA甲基化。”

由于知道它们可以在不属于它们的地方诱导甲基化，研究小组接下来尝试在它们属于基因组但缺失的地方(比如在某些疾病中)附加甲基标记。Angelman综合征(AS)是由于DNA甲基化异常导致神经元中UBE3A蛋白缺失所致。这会导致患者的认知缺陷。通过使用他们的技术，研究小组纠正了异常的DNA甲基化，并在培养皿中恢复了作为神经元细胞的UBE3A蛋白水平。

研究人员表示，最令人兴奋的是，他们引入的所有甲基化模式都是稳定的，而其他表观遗传学技术则不是这样。即使去除无cpg的DNA也不会影响新的甲基化。这一发现提供了一种重写CpG岛表观遗传标记的方法，也为深入了解CpG岛受DNA甲基化保护的机制提供了思路。

“我们开发了一项新技术，可以在多能干细胞中对CpG islands的DNA甲基组进行强大的编辑，这真是太棒了，这将有助于开发表观遗传疾病的细胞替代疗法，”索尔克研究所的科学家、论文的合著者之一吴俊(Jun Wu)说。“但通过发现DNA甲基化的潜在机制，我们希望利用这项技术做得更多。”