全能与功能的邂逅 Cas 9技术浅析

Cas 9 技术

从细菌的免疫系统，到一个众所周知的生物技术工具；从单一的一项敲除技术，到应用领域遍地开花，Cas9 技术发展不可谓不快。到底有多快？看到 13 年 14 年那么多关于 Cas9 的 nature、science、cell，我和我的小伙伴都惊呆了！

Cas9 技术广泛用于基因功能研究，到底有多广泛？说全能，我想不过分吧。不信？那就听我说说。

研究基因功能，最常用的方法就是基因敲除、上调表达、下调表达、融合蛋白及做突变。

说到基因敲除，这是 Cas9 技术老本行啊，只要把 sgRNA 和 Cas9 蛋白在细胞里一起表达，几天过后，目的基因就会被敲除得干干净净！

说到上调表达，很简单！只要这个基因在细胞基因组上存在就能办得到。只需要把 Cas9 做个小小的改动变成，使之成为丧失切割功能的 dCas9，再融合表达一个转录活性因子，在 sgRNA 的带领下结合到启动子上。嗖！表达水平高得一塌糊涂！想下调怎么办？不用多说，融合一个转录抑制因子就好了！哦，这个技术叫 SAM（synergistic activation mediator） 哦~~有时候，我们想知道基因产物定位怎么办？融合标签啊！怎么融合？同源重组修复能帮到你！Cas9 引入双链 DNA 断裂，同源介导修复（HDR）就能帮你把转进细胞的同源片段插入切割位点上！如果你转入细胞的同源片段包含荧光标签，几天过后你的细胞就可以亮了！如果你转入细胞的同源片段包含点突变，duang！一个目的基因突变细胞株也就这么构建成了！

这只是 Cas9 技术的冰山一角，更多技术等待着你去了解，更更多的应用也等待着你去开发！

那么有了这些 Cas9 相关技术，我们能做哪些方面的基因功能研究呢？

从目前的研究成果来看，最奔放的莫过于传说中的“Genome-Scale”的筛选了。“Genome-Scale”怎么翻译呢？

“基因组规模”！看上去吓我一跳，常识中说，人类的 2-3 万个基因隐藏在约 30 亿个碱基对中，基因组规模筛选？！这不就是大海捞针嘛！可是人家真的就敢捞，为什么？还得归功于 sgRNA 设计合成的简便性。2014 年，Cas9 技术的发明人张峰博士在Science 上发表了一篇文章，设计了针对 1.8 万种基因的 6.5  万种 sg RNA。用这么多的 sgRNA，张锋在肿瘤细胞和多能干细胞中筛选到了影响细胞活性的基因。最最引人注目的是他在黑色素瘤中筛选到了几种全新的 vemurafenib 耐药基因。

等等，这个全新是如何解释？全新就是以前没发现的，而以前是怎么筛的呢？当然是 shRNA 啊。张锋通过对比发现，在同样的细胞株中，用 shRNA 根本无法筛选到这几种“新的”耐药基因！

而这就是 Cas9 的价值！相比于 RNAi，Cas9 可以做到对细胞基因组的全部切除（Knockout），而不是单纯的降低（Knockdown），也就是说 Cas9 可以几乎完全敲除一个基因。那么那些 KD 检测不到而 KO 能够检测到的基因意味着什么呢？从某种角度上看就是极少量的基因表达就可以达到其作用效果，换句话说，这样的基因往往在功能方面展现出很强的作用，而这些基因以前却一直被忽视掉。

同样是针对 NF2 的耐药功能并不能通过传统的 RNAi 方法筛选得到（右图），而通过 Cas9 方法则发现了一片新天地（左图）当然啦，“Genome-Scale”那是高富帅玩的，不说别的，6 万多种 sgRNA 病毒就够咱老百姓喝一壶的了。那是不是说 Cas9 就与我们无缘了？当然不是！Cas9 的天然优势，让我们不得不接触这个飞速发展的新技术。

由于它可以做到对基因的 knock out，你可以把你之前用 RNAi 做不出结果的基因翻出来，再用 Cas9 试试，兴许你就会发现你当时的 idea 是正确的！反正成本也不高……你可以给难进行病毒感染的细胞进行 Cas9 蛋白和 sgRNA 的 transfect，因为它们只需要一点点，就能在细胞上大有作为。

你可以用它研究抑癌基因、耐药基因、致癌基因……让你成为癌症研究的佼佼者。

你可以用它研究基因在发育过程中的作用，让你明白人是怎么来的。

你可以用它做超级启动子，过表达甚至过过表达一个你想研究的基因你可以用它做蛋白定位、基因定位、染色体定位。

你可以用它……有了 Cas9 技术，基因功能研究变得如此简单！想研究基因功能的你，还有什么理由拒绝这个想象速度赶不上发展速度的 Cas9 呢？

来源：丁香园