斯坦福大學(xué)的研究人員重新設(shè)計(jì)了CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，以便在三維空間中操縱基因組，使他們能夠?qū)⑦z傳片段運(yùn)送到細(xì)胞核的不同位置。

這項(xiàng)被稱為CRISPR-基因組組織或簡稱CRISPR-GO的新技術(shù)使用經(jīng)修飾的CRISPR蛋白質(zhì)在三維空間中重組基因組。如果CRISPR就像分子剪刀一樣，那么CRISPR-GO就像分子鑷子一樣，抓住基因組的特定部分，并在細(xì)胞核的新位置掠奪它們。但它不僅僅是物理搬遷：取代遺傳因素可以改變它們的運(yùn)作方式。

該研究揭示了基因組在細(xì)胞核中的空間組織如何控制細(xì)胞整體功能的新亮點(diǎn)。

生物工程和化學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)助理教授Stanley Qi博士說：“為什么細(xì)胞內(nèi)空間組織重要的問題是重要的，而且也不是科學(xué)家們所認(rèn)同的問題。” “CRISPR-GO可以提供一個(gè)回答這個(gè)問題的機(jī)會，讓我們能夠定位，移動和重新定位非常特定的DNA片段，看看他們在細(xì)胞核中的新位置如何改變它們的功能。”

大多數(shù)哺乳動物細(xì)胞含有一個(gè)核，如果在一條線上伸展，它可以容納超過6英尺的DNA。這種遺傳物質(zhì)決定了細(xì)胞的命運(yùn)，如果不合適或受損，可能會導(dǎo)致疾病。以前的研究表明，DNA傾向于在細(xì)胞核的某些區(qū)域聚集。然而，這種放置如何影響DNA的功能仍不清楚。

在原理論證研究中，Qi使用CRISPR-GO研究了三個(gè)不同的細(xì)胞核亞區(qū)，測試了一個(gè)總體假設(shè)：基因和其他遺傳元素在細(xì)胞核的不同區(qū)域中表現(xiàn)不同嗎?

到目前為止，他們的數(shù)據(jù)顯示核中特定的區(qū)室和一些自由漂浮的蛋白質(zhì)體可以影響重新定位的DNA的功能。根據(jù)遺傳物質(zhì)的位置，一些核區(qū)域抑制基因表達(dá)，一些核區(qū)域加速端粒生長，隨后細(xì)胞分裂。一個(gè)蛋白質(zhì)體甚至可以保持抑制腫瘤形成的能力。

一項(xiàng)詳細(xì)介紹這項(xiàng)研究的研究將于10月11日在Cell上發(fā)表。齊是資深作者。博士后學(xué)者王海峰博士是第一作者。

彌合差距

揭開基因組物理細(xì)節(jié)的神秘面紗已被證明是一項(xiàng)繁瑣的工作，但現(xiàn)有的一些技術(shù)可以讓科學(xué)家們進(jìn)入細(xì)胞，看看他們的膽量是如何組織的。缺少的是一種篡改這個(gè)組織的方法。CRISPR-GO是第一個(gè)為研究人員提供這樣做的方法。

通過退役CRISPR-Cas9的“切割”機(jī)制，編輯工具變得更像是一種遞送系統(tǒng)，Qi用于通過可編程的指導(dǎo)RNA將小段DNA遞送到細(xì)胞核中的新位置。

CRISPR-GO有三個(gè)基本部分。首先，Qi所謂的遺傳目標(biāo)的“地址”是你要重新定位的 - 一段用結(jié)合RNA互補(bǔ)鏈靶向的DNA。然后，您需要目的地的地址 - 您想要移動染色質(zhì)的核區(qū)室中DNA的特定部分。最后，還有“橋”，在這種情況下，它是一種催化劑，可以激發(fā)目標(biāo)DNA凝固到細(xì)胞核中的新家。

“孩子們經(jīng)常喜歡建造小鐵路來幫助火車從一個(gè)車站到另一個(gè)車站，”齊說。“這與我們在這里所做的并沒有太大不同。”

不同的房間，不同的功能

齊描述了核隔間的功能，如房屋的空間。在你家的每個(gè)房間，你做不同的事情 - 在廚房里，你做飯; 在臥室里，你睡覺。在細(xì)胞核中，同樣的概念適用。細(xì)胞核中有多個(gè)區(qū)室，它們在維護(hù)細(xì)胞功能方面都具有特定的作用。Qi和他的實(shí)驗(yàn)室研究了細(xì)胞核的三個(gè)不同區(qū)域，測試它們是否能以某種方式改變?nèi)旧|(zhì)的功能，這取決于它們移動它的位置。

通過使用CRISPR-GO，研究人員觀察到基因重新定位到細(xì)胞核的一部分，稱為Cajal體，一種無定形且有些神秘的蛋白質(zhì)和RNA，停止表達(dá)蛋白質(zhì)。

“我們非常興奮地看到這一點(diǎn);這是研究人員第一次有證據(jù)表明Cajal身體可以產(chǎn)生直接的基因調(diào)節(jié)作用，在這種情況下抑制基因表達(dá)，”Qi說。“這表明Cajal身體在控制轉(zhuǎn)錄方面有一些意想不到的作用。” 這可能很大，因?yàn)檗D(zhuǎn)錄是合成蛋白質(zhì)生產(chǎn)“代碼”的重要過程。

當(dāng)Qi使用CRISPR-GO移動端粒DNA - 與長壽相關(guān)的染色體的分子帽 - 從細(xì)胞核的中間到邊緣時(shí)，端粒停止生長，停止細(xì)胞周期并降低細(xì)胞活力。然而，相反的情況發(fā)生在端粒移近Cajal體時(shí)：它們生長，并且在這樣做時(shí)，細(xì)胞活力增加。

第三種應(yīng)用使用CRISPR-GO形成早幼粒細(xì)胞白血病體。眾所周知，這種蛋白質(zhì)可以抑制促腫瘤基因。通過將其定位于細(xì)胞核中致癌基因的旁邊，Qi計(jì)劃測試它是否有助于抑制腫瘤形成。

“CRISPR-GO的另一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢是我們可以在顯微鏡下實(shí)時(shí)跟蹤染色質(zhì)DNA和核區(qū)室之間的相互作用，”Wang說。

Qi表示，雖然CRISPR-GO顯示的證據(jù)令人興奮，但研究仍處于試驗(yàn)階段，在確認(rèn)研究結(jié)果之前還有更多工作要做。

“我們對這里的潛力感到非常興奮，雖然我們已經(jīng)回答了幾個(gè)問題，但我們已經(jīng)開放了大約20個(gè)，”齊說。

他說，解釋為什么這些基于位置的效應(yīng)發(fā)生在特定的核區(qū)室中，以及根本原因是什么將更為重要。有一天，齊希望，這一系列研究將對人類健康產(chǎn)生影響。