2015重大技术进展：CRISPR、光遗传学

每到年终，The scientist会对本年度的创新产品、年度科学人物和学术界丑闻等进行一系列的盘点。在发表于12月24日的“Top Technical Advances 2015”文章中，该期刊总结了今年CRISPR、光遗传学、单细胞分析和成像技术领域取得的一些重大进展。

CRISPR

人们熟知的基因编辑工具CRISPR不断地在带给我们新的研究成果。科学家们频繁地向我们展示新的应用，从有争议的改造人类胚胎，（体外）修复人类疾病中的蛋白质缺陷到设计抗疟蚊子。

免费索取吉凯基因CRISPR/Cas9慢病毒/基因编辑大小鼠技术服务手册>> >>

在许多研究人员利用CRISPR的同时，其他一些人则专注于改进这一技术。结合CRISPR与光遗传学，科学家们构建出了一种系统，在暴露于蓝光下时组装Cas9酶的两个片段。Cas9是负责剪切靶DNA的CRISPR元件。当关闭蓝光时，片段分开，CRISPR终止活性。帮助开发出这一技术的东京大学化学家Moritoshi Sato说：“光激活Cas9核酸酶具有的这样一种开/关转换特性是从前无法达到的最重要的突破（延伸阅读：3篇权威：光激活的CRISPR-Cas9系统 ）。”

Cas9是CRISPR系统最频繁的改进对象。如本月早些时候，麻省理工学院的张锋和同事们提供了一种改良的Cas9酶。他们用中性电荷的丙氨酸替换了三个正电荷氨基酸。这种改变在未显著影响正确编辑的情况下，阻碍了Cas9结合脱靶DNA位点的能力（延伸阅读：张锋Science重大突破：攻克CRISPR-Cas9基因组编辑的主要障碍 ）。

今年早些时候，张锋研究小组还调整了CRISPR实验方案中的Cas9方面，鉴别出了一种更小的Cas9核酸酶版本。最常使用的Cas9酶源自化脓性链球菌，因太大而无法装入到腺病毒载体中。而来自金黄色葡萄球菌的Cas9则短得多，能够通过病毒载体传送很好地发挥作用抑制小鼠体内的一种胆固醇基因。杜克大学Charlie Gersbach（未参与该研究）说：“saCas9最令人兴奋的地方在于它能够在体内很好地起作用。”（延伸阅读：张锋Nature重大突破：用新型高效Cas9实现基因组编辑 ）

Gerbach和同事们在当月对CRISPR做出了自己的贡献，他们通过让一种组蛋白乙酰转移酶搭乘Cas9的便车构建出了一种表观遗传编辑器。他们破坏了Cas9切割DNA的能力，转而利用它作为一种自动引导装置到达基因组中的正确位点，通过让组蛋白乙酰化来开启基因。Sigma Aldrich公司也开发了一种方法用CRISPR激活基因，并在9月向客户推出了这一工具，这使得Sigma Aldrich在The Scientist 2015年的十大创新排行榜上赢得了一席之位。

光遗传学

11月，麻省理工学院的Edward Boyden和斯坦福大学的Karl Deisseroth因他们在开发光遗传学方面所做的贡献而受到了表彰。光遗传学使得人们能够通过光线来操控神经元。科学家们通过结合光遗传学控制神经元与光遗传学读出它们的活动，在继续改进这一技术。

一个月前，在芝加哥的神经科学学会会议上，Deisseroth和其他人展示了最新的全光电生理学——用光来操控和记录神经元。哈佛大学Adam Cohen和他的研究小组开发出了一种报告基因，当导入到细胞中去时在电压发生改变的情况下会发出红外线。与Boyden一起，Cohen将这一电压指示器与一种响应蓝光的膜通道一起导入到了细胞中——使得研究人员能够用蓝光开启细胞，用红外线记录它们的活动（延伸阅读：神经学牛人发布进阶版光遗传学技术 ）。

Cohen说：“我们的梦想是开始记录完整神经回路，看看一个神经元是如何接收输入信号，并组合这些输入信号，然后决定是否放电的。”

今年，研究人员还在海藻中发现了一种紫红质通道蛋白（channelrhodopsin），相比于以往开发的工程通道它能够更快地抑制神经元活动。这为在光遗传学中更精确地抑制细胞放电打开了新选项。

科学家们还开发出了一种方法在光遗传学控制下给予神经元即时反馈，将它们的活性维持在一个所期望的状态。这一“神经自动调温器”可在24小时内控制细胞放电速度常数。“就像自动调温器响应温度一样，如果放电速度偏离了编程到电脑中接收电极信号的理想速度，会立即调整光强度补偿这一改变。”