控制基因表达对理解基因功能和模拟疾病发生至关重要。CRISPR-Cas系统的发展，使得通过向导RNA（gRNA）精确靶向并操控目标基因的DNA或RNA成为可能。目前，除了使用CRISPR-Cas9系统引入基因突变，其他的相关工具有激活基因表达的CRISPRa（如dCas9vpr）系统，以及通过降解目标mRNA来抑制基因表达的CasRx系统。但在斑马鱼模型中，由于转基因表达的效率较低，这些工具通常依赖注射方式实现瞬时的高表达。然而，注射的蛋白或RNA会在短时间内迅速降解至低水平。由于缺乏高效表达的CRISPR-Cas系统转基因工具，这严重限制了其在斑马鱼模式生物中的应用。

近日，武汉大学医学研究院、教育部免疫与代谢前沿科学中心、武汉大学中南医院YoungnamJin（陈宁南）教授课题组在Advanced Science发表了题为Versatile CRISPR-Cas Tools for Gene Regulation in Zebrafish via an Enhanced Q Binary System的研究论文。该研究利用QF-QUAS二元系统，开发了一种能稳定调控基因时空表达的工具，并以此在斑马鱼中建立了两种人类疾病模型。这是全球首次实现在转基因模式下调控斑马鱼的基因表达。

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QF-QUAS二元系统是一种激活基因表达的系统，它包括一个转录激活因子QF，和它选择性结合的启动子QUAS。研究人员发现，通过串联Q系统和CRISPR-Cas系统，可以实现转基因Cas元件的高表达量，进而在gRNA的引导下高效地抑制或激活目标基因的表达（图1）。他们将该系统命名为CRISPR-Q系统。

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图1. CRISPR-Q系统示意图：通过Q系统激活CRISPR-Cas元件

研究人员首先优化了Q系统的毒性和转录激活能力。他们发现结合QF的DNA结合域和vpr转录激活域得到的QFvpr是一种毒性低且激活活性强的Q系统转录因子。通过杂交热激启动子控制表达QFvpr的鱼系和QUAS控制表达的CasRx的鱼系，研究人员得到了双转基因（2Tg）的斑马鱼。他们发现至少至第四代，CasRx都能强烈表达，且没有转录沉默的迹象。于是，研究人员分别测试了CRISPR-QKD和CRISPR-Qa敲低或激活基因表达的能力。将2Tg的斑马鱼和表达不同gRNA的鱼系杂交得到三转基因（3Tg）的鱼系。结果表明表达CRISPR-QKD的3Tg斑马鱼不仅可以实现单个基因（smn1）的敲低，也可以同时敲低两个同源基因（tardbp / tardbpl或gpx4a / gpx4b）。不仅如此，表达CRISPR-Qa的3Tg鱼系可以上调目标基因表达（lin28a和sox9b）。

smn1和tardbp / tardbpl的敲低分别可以导致脊髓性肌萎缩（SMA）和肌萎缩性侧索硬化（ALS，又称渐冻症）。研究人员观察了smn1, 3Tg和tardbp，3Tg斑马鱼的表型，结果发现两种鱼系成功模拟了各自疾病的表型，如肌肉纤维双折射性质的减弱和光刺激下运动活性的降低。研究人员进一步阐释了 CRISPR-Q在时空特异性表达下控制基因表达的能力。他们将青年和成年的2Tg和3Tg斑马鱼热激，激发了高水平的Cas蛋白的表达。并且在3Tg的斑马鱼中，不同器官中的目标基因表达显示出了有效的降低或升高。通过心脏特异性启动子控制QFvpr的表达，研究人员构建了心脏特异性表达CRISPR-Q系统的斑马鱼系。在靶向tbx5a基因的gRNA的引导下，心脏中的tbx5a转录本缺失，而其他组织表达量没有受到影响。另外，在不同gRNA的引导下，研究人员也实现了心脏特异性的asb5a基因的敲低和lin28a基因的激活。

本研究在斑马鱼中实现了转基因Cas蛋白的稳定表达，首次在转基因背景下实现了斑马鱼基因的时空特异性敲低和激活，且成功构建了两种人类疾病模型。与传统注射的方法相比，能通过转基因表达的CRISPR-Q提供了一种稳定，持久和多功能的平台，允许人们在更多特定的条件下控制基因表达。同时该工具显示出了在别的模式生物中应用的潜力。

武汉大学医学研究院博士研究生石淼元和葛玮琦为论文共同第一作者，武汉大学Youngnam Jin教授为通讯作者。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202511485

课题组诚挚邀请有志于科研的优秀博士毕业生申请武汉大学“弘毅博士后”加入课题组的各项药理学研究。具体博士后待遇参考武汉大学 “弘毅博士后”计划2025年全球招募公告（https://www.whu.edu.cn/info/5231/247194.htm）。

制版人：十一

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