利用基于CRISPR的一項新技術(shù)，研究人員正在研究DNA在細胞核中的位置如何影響基因表達和細胞功能。細胞核與裝滿小貓的紙板箱有一些共同之處：人們對紙箱里的東西如此著迷，以至于忽略了容器本身。細胞核的容器通常被視為沒有特征的膜袋，用來容納至關(guān)重要的動態(tài)遺傳物質(zhì)。事實上，它有著專門的部門和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。長期以來，科學家們一直推測，DNA相對于這些部分的精確位置可能非常重要?，F(xiàn)在一組研究人員正在尋找可信的證據(jù)證明這一推測，并且驗證它對基因表達有重要影響，使用CRISPR將細胞部分DNA固定在細胞核的不同區(qū)域進行觀察。

上個月發(fā)表在《細胞》(Cell)上的這項研究，已經(jīng)產(chǎn)生了對不同的核鄰域如何與基因表達相關(guān)的有趣見解。6英尺的DNA錯綜復雜地捆綁在人類細胞的微小細胞核中，看起來就像一團意大利面條或一團纏結(jié)的線。但DNA如何在三維空間中精確定位至關(guān)重要。包裝和折疊的程度使基因能夠在正確時間正確地點被訪問，讓細胞機器能夠快速有條理地發(fā)現(xiàn)和解碼它們，調(diào)節(jié)它們的活動，并保持一切正常工作。這些重新排列也將基因組的特定部分置于細胞核內(nèi)靠近或遠離標記的地方。有證據(jù)表明DNA在細胞核的精確定位可能并非巧合。緊密纏繞、沉默的基因往往位于細胞核外圍，而開放、活躍的DNA則位于細胞核內(nèi)部。

在細胞發(fā)育過程中，隨著細胞分化，DNA會進行自我重組：當一些基因從受抑制狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S狀態(tài)時，它們也會從外圍轉(zhuǎn)移到內(nèi)部。換句話說，通常在細胞核邊緣附近發(fā)現(xiàn)的其他一些基因區(qū)域并不總是位于那里，當它們移動時，它們?nèi)匀粫@示出相同的活動水平。因此生物學家一直在爭論DNA的濃縮結(jié)構(gòu)以及表達與其核位置的關(guān)系。具有某種特征的非活性基因可能被吸引到外圍，或者外圍本身就能使它們沉默。這些考慮在細胞核中心變得更加復雜，細胞核中心包含由各種核體定義的許多不同區(qū)域，如核仁(組裝核糖體以生產(chǎn)蛋白質(zhì))和Cajal(幫助剪接RNA)。它們的功能也很難區(qū)分開來。

相關(guān)性無處不在，但確定因果關(guān)系則是另一回事。加州理工學院的生物學家米切爾·古特曼（Mitchell Guttman）說：幾十年來，基因組組織與核結(jié)構(gòu)以及基因調(diào)控的關(guān)系一直都是研究的核心問題。因此在過去的四年里，斯坦福大學生物工程師史丹利·齊和同事們一直在努力為科學家們開始回答這些問題奠定實驗基礎(chǔ)。于是他們轉(zhuǎn)向CRISPR，這個系統(tǒng)被廣泛用于編輯基因、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄和拍攝細胞過程圖像?，F(xiàn)在他們已經(jīng)發(fā)明了一種利用CRISPR來控制基因組空間的方法，并將這個過程命名為CRISPR-GO(GO的意思是“基因組組織”)。這是CRISPR技術(shù)的廣泛擴展，這項技術(shù)從五年前就開始了，現(xiàn)在仍在不斷發(fā)展。

這種實驗方法有點像在研究人員在他們想要移動的基因上放置一條維可牢尼龍搭扣，在想要把基因移動到的核體上安裝另一條維可牢尼龍搭扣。當DNA通過時，兩個對應(yīng)的維可牢尼龍搭扣就會粘在一起。更具體地說，科學家們使用了分子復合物CRISPR/Cas9——它可以切斷失活的基因組，來靶向特定的DNA序列。蛋白質(zhì)的一部分附在復合體上，第二部分附在細胞核中選定的結(jié)構(gòu)上。隨著DNA運轉(zhuǎn)，研究人員添加了“誘導劑”分子，這種分子會連接蛋白質(zhì)片段，將它們結(jié)合在一起，并將DNA固定在新的位置。移除誘導劑可以釋放DNA，使其再次移動。

在此之前研究人員使用了另一種技術(shù)來試圖達到實驗結(jié)果。然而他們不得不設(shè)計一種特殊的細胞系，將一長串、高度重復的細菌或合成序列整合到感興趣的基因旁。該系統(tǒng)使用困難，適用范圍有限，而且該方法的侵入性也會影響實驗結(jié)果，這類研究會得出不一致的結(jié)論，并且研究人員難解釋。但是CRISPR-GO不需要科學家修改基因組，它可以精確地瞄準DNA的任何區(qū)域。紐約冷泉港實驗室的分子生物學家大衛(wèi)·斯佩克托（David Spector）說：在某種程度上，這種方法溫和得多，而且更簡單。利用CRISPR-GO，科學家們有了一個工具箱來探索核機構(gòu)的真實運轉(zhuǎn)。例如它們可能如何或可能不會影響特定基因的活動，以及它們在健康和疾病中扮演什么角色。

齊和團隊展示了核機構(gòu)如何工作，他們首先注意到不同的核體會表現(xiàn)出不同的狀態(tài)。例如當他們將DNA重新定位到核外圍時，是DNA推動了移動過程，這個過程花了將近一天的時間。當他們將基因組的一部分移植到Cajal體內(nèi)時，Cajal在幾分鐘內(nèi)就轉(zhuǎn)移到了Cajal體內(nèi)。這些發(fā)現(xiàn)可能揭示出了細胞核某些部位長期或短暫的激活和抑制，以及DNA相互作用如何積極維持的信息。正如之前研究所表明的那樣，某些基因似乎存在一定空間關(guān)系，而另一些則不存在。盡管如此，還是發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝的聯(lián)系，包括遠程效應(yīng)。例如將一些編碼蛋白質(zhì)的基因轉(zhuǎn)移到Cajal 體內(nèi)是，不僅抑制了它們的活性，也抑制了位于遠處的DNA活性。

研究小組還研究了基因的非編碼區(qū)域，具有調(diào)控或其他功能的序列，這些功能構(gòu)成了DNA的絕大部分。他們特別關(guān)注位于染色體頂端與細胞壽命有關(guān)的端粒的DNA片段。當端粒重新定位到細胞核周圍時，細胞分裂幾乎停止。然而把端粒移到靠近Cajal體的地方，卻出現(xiàn)了相反的效果，細胞生長和分裂得更快。這意味著染色體端粒在細胞核中的位置對于細胞完成正常的細胞周期很重要。Cajal體可能有這種作用，因為之前已經(jīng)證明它們能產(chǎn)生一種有助于維持端粒長度的酶。研究人員仍然需要找出影響發(fā)生的原因，對不同細胞類型的各種基因和核體進行實驗，不僅要測試它們對基因表達的影響，還要測試基因組的穩(wěn)定性和其他因素，以找出基因組的組織方式和原因。

至少它似乎建立了一個額外的控制水平，通過創(chuàng)造活躍和不活躍的區(qū)域，細胞核可以阻止抑制轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)異常關(guān)閉需要開啟的基因，反之亦然。瑞士弗里德里?！っ仔獱柹镝t(yī)學研究所的分子生物學家蘇珊·加塞認為：專家們將會發(fā)現(xiàn)細胞核的位置對于非常特殊的過程很重要，比如DNA修復。但在很多時候，它反而會微調(diào)基因表達，DNA本身的開放或濃縮狀態(tài)可能更有影響力。不過，CRISPR-GO可以用來測試這種想法。它還有助于調(diào)查核組織在發(fā)展和疾病方面的作用。長期以來，病理學家一直使用核形態(tài)學作為診斷工具:DNA的變化狀態(tài)和分布與癌癥和其他疾病相關(guān)，某些核體數(shù)量的增加也是如此，但目前尚不清楚這些是否是疾病的結(jié)果或病因。

總有一天，這個系統(tǒng)不僅可以用于探索和基礎(chǔ)研究，還可以作為一種治療手段。即便如此，一些專家仍持保留態(tài)度。伊利諾伊大學香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的細胞生物學家安德魯貝爾蒙特(Andrew Belmont)警告說：研究人員仍需要確認他們的技術(shù)準確地反映了細胞中的自然過程，而不是束縛產(chǎn)生某種人為后果。相關(guān)研究人員已經(jīng)開發(fā)出了替代系統(tǒng)來解決這個問題，包括解決將自然序列插入目標DNA區(qū)域。不過CRISPR-GO的確代表著科學向前邁出的一大步。古特曼表示：預(yù)計CRISPR-GO將成為該領(lǐng)域許多人開始破解那些非常古老和非常重要的問題的一個得力工具。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《細胞》(Cell)

文：Jordana Cepelewicz/Quanta magazine/Quanta Newsletter

DOI：doi.org/10.1016/j.cell.2018.09.013

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