利用光線按需定制基因組折疊

你體內(nèi)的每個細(xì)胞都有你的一個緊密纏繞并裝入在細(xì)胞核中的基因組拷貝。由于每個基因組拷貝實際上是相同的，不同細(xì)胞類型及其生物學(xué)功能之間的差異可歸結(jié)為基因組中哪些基因發(fā)生表達(dá)，基因的表達(dá)方式和時間。

科學(xué)家越來越了解基因組折疊在這一過程中所起的作用。線性基因序列被包裝到細(xì)胞核中的方式?jīng)Q定了哪些基因彼此發(fā)生物理接觸，這接著影響基因表達(dá)。

美國賓夕法尼亞大學(xué)生物工程系助理教授Jennifer Phillips-Cremins是“三維表觀遺傳學(xué)（3-D Epigenetics）”領(lǐng)域的先驅(qū)。如今，在一項新的研究中，她和她的同事們展示了一種新技術(shù) ，它可以根據(jù)需要快速地利用光作為觸發(fā)器快速地創(chuàng)建特定的基因組折疊模式。這種稱為光激活動態(tài)環(huán)狀結(jié)構(gòu)化（light-activated dynamic looping, LADL）的技術(shù)將另外兩種強大的生物技術(shù)工具 --- CRISPR/Cas9和光遺傳學(xué)---結(jié)合在一起。通過使用CRISPR/Cas9靶向特定基因組褶皺（genome fold）或者說環(huán)狀結(jié)構(gòu)（loop）的末端，然后使用光遺傳學(xué)將這些末端像磁鐵一樣連接在一起，這些研究人員能夠在幾小時內(nèi)在精確的基因組區(qū)段之間暫時地創(chuàng)建新的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2019年7月的Nature Methods期刊上，論文標(biāo)題為“LADL: light-activated dynamic looping for endogenous gene expression control”。

在如此短的時間內(nèi)形成基因組中的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和撤消它們的能力使得LADL成為一種更詳細(xì)研究三維表觀遺傳機制的有前景的工具。鑒于Phillips-Cremins實驗室之前的研究提示著這些機制參與各種 神經(jīng)發(fā)育疾病，他們希望LADL最終在未來研究中，甚至在開發(fā)治療方法中發(fā)揮著作用。

Phillips-Cremins說道，“近年來，在我們這個領(lǐng)域的科學(xué)家們克服了技術(shù)和實驗方面的挑戰(zhàn)，構(gòu)建出超高分辨率的DNA圖譜，這些DNA圖譜揭示了DNA在細(xì)胞核中如何折疊成復(fù)雜的三維模式。 盡管我們?nèi)缃衲軌蚩梢暬^察諸如環(huán)狀結(jié)構(gòu)之類的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是在基因組結(jié)構(gòu)配置如何促進基因組功能方面仍然存在著重要的知識缺口。”

為了開展這方面的實驗，研究這些三維模式的科學(xué)家們需要使用能夠根據(jù)接收到的指令操縱特定環(huán)狀結(jié)構(gòu)的工具。除了內(nèi)在的物理挑戰(zhàn)---讓線性基因組中的兩個距離較遠(yuǎn)部分進行物理接觸， 就像使用只有幾個原子厚度的線穿針一樣---之外，這種技術(shù)應(yīng)當(dāng)是快速的、可逆的，而且能夠在靶區(qū)域上發(fā)揮作用，同時確保對相鄰序列的干擾最小化。

CRISPR/Cas9的出現(xiàn)解決了靶向問題。對這種基因編輯工具的改進允許科學(xué)家們在他們想要形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的任一端靶向所需的DNA序列。如果這些序列可以被設(shè)計成在其他的必要條件下尋找彼此并結(jié)合在一起，那么就可根據(jù)需要形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

這些研究人員隨后尋找能夠?qū)⑦@些環(huán)狀結(jié)構(gòu)的末端結(jié)合在一起的生物機制，并在光遺傳學(xué)工具包中找到了一種理想的生物學(xué)工具。在開花植物擬南芥中發(fā)現(xiàn)的蛋白CIB1和CRY2當(dāng)暴露于藍(lán)光時 會彼此結(jié)合在一起。

論文共同**作者Mayuri Rege說道，“一旦我們打開藍(lán)燈，它們就會在幾毫秒內(nèi)開始發(fā)揮作用，并且在4小時內(nèi)形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)我們關(guān)閉藍(lán)燈時，這些蛋白就解離，這意味著我們期待所形 成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)會瓦解掉。”

論文共同**作者Ji Hun Kim說道，“細(xì)胞中形成了數(shù)以萬計的DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)。有些環(huán)狀結(jié)構(gòu)是慢慢形成的，但是也有很多環(huán)狀結(jié)構(gòu)是在一秒內(nèi)快速形成的。如果我們想要研究這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)快 速形成的機制，我們需要能夠在可比的時間尺度上發(fā)揮作用的工具。”

快速發(fā)揮作用的折疊機制還具有以下優(yōu)點：它們導(dǎo)致周圍基因組區(qū)域發(fā)生較少的擾動，這有潛力降低為實驗結(jié)果增加噪聲的非預(yù)期效應(yīng)。

這些研究人員使用了他們的高分辨率三維基因組圖譜技術(shù)測試了利用LADL構(gòu)建所需的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的能力。在測量轉(zhuǎn)錄RNA序列活性的專家Arjun Raj的幫助下，他們還能夠證實新形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)正在影響基因表達(dá)。

三維表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的前景是研究這些長程環(huán)狀結(jié)構(gòu)和決定它們編碼的蛋白的時間安排和數(shù)量的機制之間的關(guān)系。能夠設(shè)計這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)意味著科學(xué)家們將能夠在實驗條件下模擬這些機制， 這就讓LADL成為研究基因組折疊在各種疾病中的作用的重要工具。

Phillips-Cremins說道，“在短時間尺度上理解基因組結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系至關(guān)重要，這是因為基因表達(dá)的時空調(diào)控對于忠實的人類發(fā)育至關(guān)重要，以及基因的錯誤表達(dá)經(jīng)常在人類疾病中發(fā)生。利 用光對基因組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行改造為理解這種關(guān)聯(lián)性的因果關(guān)系開辟了新的可能性。此外，我們預(yù)計，從長遠(yuǎn)來看，光的使用將允許我們能夠靶向特定的人體組織，甚至控制在大腦特定神經(jīng)元亞型中的環(huán)狀結(jié)構(gòu)形成。”