在哺乳動物細胞中，DNA甲基化精密地調節基因的表達，從而在許多生理和病理過程中起著舉足輕重的作用。近期，來自中科院上海生命科學研究院“百人計劃“胡榮貴研究員帶領的研究小組，在《Cell Discovery》發表題為“A CRISPR-based approach for targeted DNA demethylation”的研究成果，報道了一種新的方法，采用目前廣泛使用的CRISPR-Cas系統來靶定DNA去甲基化。點擊閱讀胡榮貴研究組的更多研究成果：上海生科院發現系統研究蛋白質降解組的新方法；胡榮貴研究組Cancer Cell解析細胞選擇性自噬；中科院Cell Res繪制人類蛋白質降解組圖譜。

DNA甲基化是向DNA添加甲基的一個后生過程，主要發生在CpG二核苷酸中胞嘧啶堿基的第五個碳上。在哺乳動物細胞中，DNA甲基化調控著基因的表達，從而在無數的生理和病理過程中發揮關鍵的作用，其中包括，但不限于，細胞發育和分化、基因組印跡和腫瘤發生。通常，腫瘤抑制基因中的DNA甲基化，會沉默它們的表達，并將有助于多種類型的人類癌癥。另一方面，DNA甲基化也是許多毀滅性的人類神經肌肉疾病的病因，包括脆性X染色體綜合征，其中FMRP的啟動子區中三核苷酸重復（CGG）的擴增，可導致基因的超甲基化，并大幅抑制該基因的表達。因此，操縱靶基因DNA甲基化狀態的技術進步，不僅有助于我們理解DNA甲基化如何在特定背景下調節基因的表達，而且能控制基因表達，并可能帶來有益的臨床預后。

最近，有研究發現許多酶能夠以不同的機制催化活性的DNA去甲基化。據報道，Tet加雙氧酶催化的5-甲基胞嘧啶氧化，可促使具有Tet催化結構域（Tet-CD）的DNA去甲基化，作為最小的功能模塊。研究人員曾嘗試利用轉錄激活因子樣效應物-融合的TET1-CD靶定DNA去甲基化，來激活靶基因。然而，它更廣泛的作用被限制為基于轉錄激活因子樣效應物的策略，需要繁瑣的設計和組裝，從而不適合于高通量應用。

近年來，CRISPR系統已被廣泛應用于基因組工程與編輯。利用失活的核酸內切酶Cas9（dCas9），開發的合成生物學平臺已經實現了基因調控、基因組編輯或熒光標記。此外，在sgRNA中意外發現的可塑性，可使額外的RNA元件插入形成sgRNA2.0系統。一般而言，這種RNA元件可被許多RNA特異結合蛋白效應物識別，這將可能導致靶向dCas9介導的功能基團的效力放大。

在這項研究中，研究人員報道了一種新的方法，利用CRISPR-Cas9系統，靶定DNA去甲基化。最初，研究人員通過向傳統sgRNAs中插入兩個拷貝的噬菌體MS2 RNA元件，構建了修改的單導向RNAs（sgRNAs）（sgRNA2.0），這將有利于Tet1催化結構域（TET CD），與dCas9或MS2外殼蛋白融合，結合到基因位點。

隨后，研究人員證明，該系統可顯著上調靶基因的轉錄，包括RANKL、MAGEB2或MMP2，這與它們鄰近的啟動子中的CpG的DNA去甲基，是密切相關的。此外，dCas9/sgRNA2.0指導的去甲基化系統，似乎能提供有效的靶基因去甲基化，但是具有脆弱的脫靶效應。該系統的應用，不僅可以幫助我們理解“在具體背景中DNA甲基化如何可以調節基因表達”的機制，而且也使我們能夠控制基因表達，并帶來潛在的臨床益處。