亓磊（Lei Stanley Qi）教授

斯坦福大學亓磊（Lei Stanley Qi）教授早年畢業(yè)于清華大學，現(xiàn)任斯坦福大學生物工程學、化學和系統(tǒng)生物學系的助理教授，近年來他在CRISPR研究領域取得了一系列突破性進展，比如第一次采用CRISPR-Cas9系統(tǒng)的變種技術，改變了讀取誘導多能干細胞(iPSCs)基因組的方式（由此入選了生物通的2016年生命科學風云人物）。

2013年，亓磊研究組在Cell發(fā)布論文介紹了課題組開發(fā)的基因沉默技術。研究人員將CRISPR用于基因表達序列特異性調控的平臺，研發(fā)出了一種基于Cas9的基因調控方法。他們將這個系統(tǒng)稱為CRISPRi，并指出這種RNA導向的DNA識別平臺是基因組范圍內基因表達選擇性抑制的一種簡單的新方法。

在此基礎上，亓磊研究組研發(fā)了一種稱為CRISPR-基因組組裝（CRISPR-genome organization, CRISPR-GO）的新技術，這種技術通過一種經(jīng)過修飾的CRISPR蛋白，在三維空間中重新組裝基因組。

亓磊解釋道：“如果說CRISPR-Cas9像是把分子剪刀，那么CRISPR-GO就像分子鑷子，能抓住基因組中的特定部分，將它們放置在細胞核的新位置上。改變這些DNA的位置，就能改變它們的功能。”

這一研究成果公布在10月11日Cell雜志上。

縮小差距

要想揭開基因組物理細節(jié)的神秘面紗，并不容易，實際操作起來十分繁瑣，但現(xiàn)有的一些技術可以讓科學家們進入細胞，了解這些內部結構是如何組織的。不過還是缺少一種能修改這種組織結構的方法，CRISPR-GO就是第一個為研究人員提供這種功能的方法。

如果解除CRISPR-Cas9的“切割”作用，編輯工具就會變得更像是一種遞送系統(tǒng)，亓磊研究組利用它通過可編程的導向RNA將DNA片段遞送到細胞核中的新位置上。

CRISPR-GO有三個基本部分。

第一部分是亓磊稱之為重新定位的靶DNA片段所在的“地址”—一段靶向一條互補的結合RNA的鏈的DNA，第二部分是靶標地址，也就是想要將染色質移動到的細胞核區(qū)室中的特定DNA部分。最后是其中的“橋（bridge）”，在這種情形下，這就是一種催化劑，能促進靶DNA片段移動到它在細胞核中的靶標地址。

“孩子們經(jīng)常喜歡建造小鐵路來幫助火車從一個車站到另一個車站，”亓磊說，“這與我們在這里所做的事情沒有什么不同?！?/p>

不同的房間，不同的功能

同時，亓磊也描述了核隔間的功能，這就像是一個房間，我們家里的每個房間都有不同的功能，比如廚房是做飯的地方，臥室是睡覺休息的地方。在細胞核中，也有同樣的概念。細胞核中有多個區(qū)室，它們在維護細胞功能方面都具有特定的作用。 亓磊等人研究了細胞核的三個不同區(qū)域，測試它們是否能以某種方式改變染色質的功能（這取決于移動的位置）。

研究人員通過CRISPR-GO，發(fā)現(xiàn)基因能重新定位到細胞核的一部分上（稱為Cajal體，這是一種無定形且有些神秘的蛋白質和RNA團）。

“我們第一次證明Cajal體可以產(chǎn)生直接的基因調節(jié)作用，在這種情況下抑制基因表達，”亓磊說，“這表明Cajal體在控制轉錄方面有一些意想不到的作用?！?/p>

當亓磊使用CRISPR-GO將端粒DNA從細胞核的中間移動到邊緣時，端粒停止生長，細胞周期也停止了，細胞活力下降。相反，當端粒移近Cajal體時，它們又能生長，并且細胞活力增加。

第三種應用是利用CRISPR-GO形成早幼粒細胞白血病小體（promyelocytic leukemia body, PML小體）。眾所周知，這種蛋白質團可以抑制促癌基因。為此亓磊計劃通過將其放置于細胞核中致癌基因的旁邊，測試它是否可以幫助抑制腫瘤形成。

“CRISPR-GO的另一個獨特優(yōu)勢是我們可以在顯微鏡下實時跟蹤染色質DNA和核區(qū)室之間的相互作用，”文章的另外一位作者說。

雖然利用CRISPR-GO提供的證據(jù)是令人興奮的，但是這項研究仍處于試驗階段，在這些研究結果得到驗證之前，還有更多的研究工作需要開展。

“我們對此感到非常興奮，”亓磊說。更為重要的是可以解釋為什么這些基于位置的影響發(fā)生在特定的核區(qū)室，以及根本原因是什么。有一天，這一系列研究將對人類健康產(chǎn)生重要影響。

來源：生物通

原文標題：

CRISPR-Mediated Programmable 3D Genome Positioning and Nuclear Organization

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)31185-1