利用光線按需定制基因組折疊

你體內的每個細胞都有你的一個緊密纏繞并裝入在細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，不同細胞類型及其生物學功能之間的差異可歸結為基因組中哪些基因發生表達，基因的表達方式和時間。

科學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胞核中的方式決定了哪些基因彼此發生物理接觸，這接著影響基因表達。

美國賓夕法尼亞大學生物工程系助理教授Jennifer Phillips-Cremins是“三維表觀遺傳學（3-D Epigenetics）”領域的先驅。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 ，它可以根據需要快速地利用光作為觸發器快速地創建特定的基因組折疊模式。這種稱為光激活動態環狀結構化（light-activated dynamic looping, LADL）的技術將另外兩種強大的生物技術工具 --- CRISPR/Cas9和光遺傳學---結合在一起。通過使用CRISPR/Cas9靶向特定基因組褶皺（genome fold）或者說環狀結構（loop）的末端，然后使用光遺傳學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在精確的基因組區段之間暫時地創建新的環狀結構。相關研究結果發表在2019年7月的Nature Methods期刊上，論文標題為“LADL: light-activated dynamic looping for endogenous gene expression control”。

在如此短的時間內形成基因組中的環狀結構和撤消它們的能力使得LADL成為一種更詳細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 神經發育疾病，他們希望LADL最終在未來研究中，甚至在開發治療方法中發揮著作用。

Phillips-Cremins說道，“近年來，在我們這個領域的科學家們克服了技術和實驗方面的挑戰，構建出超高分辨率的DNA圖譜，這些DNA圖譜揭示了DNA在細胞核中如何折疊成復雜的三維模式。 盡管我們如今能夠可視化觀察諸如環狀結構之類的拓撲結構，但是在基因組結構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家們需要使用能夠根據接收到的指令操縱特定環狀結構的工具。除了內在的物理挑戰---讓線性基因組中的兩個距離較遠部分進行物理接觸， 就像使用只有幾個原子厚度的線穿針一樣---之外，這種技術應當是快速的、可逆的，而且能夠在靶區域上發揮作用，同時確保對相鄰序列的干擾最小化。

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

這些研究人員隨后尋找能夠將這些環狀結構的末端結合在一起的生物機制，并在光遺傳學工具包中找到了一種理想的生物學工具。在開花植物擬南芥中發現的蛋白CIB1和CRY2當暴露于藍光時 會彼此結合在一起。

論文共同**作者Mayuri Rege說道，“一旦我們打開藍燈，它們就會在幾毫秒內開始發揮作用，并且在4小時內形成環狀結構。當我們關閉藍燈時，這些蛋白就解離，這意味著我們期待所形 成的環狀結構會瓦解掉。”

論文共同**作者Ji Hun Kim說道，“細胞中形成了數以萬計的DNA環狀結構。有些環狀結構是慢慢形成的，但是也有很多環狀結構是在一秒內快速形成的。如果我們想要研究這些環狀結構快 速形成的機制，我們需要能夠在可比的時間尺度上發揮作用的工具。”

快速發揮作用的折疊機制還具有以下優點：它們導致周圍基因組區域發生較少的擾動，這有潛力降低為實驗結果增加噪聲的非預期效應。

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測試了利用LADL構建所需的環狀結構的能力。在測量轉錄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狀結構正在影響基因表達。

三維表觀遺傳學領域的前景是研究這些長程環狀結構和決定它們編碼的蛋白的時間安排和數量的機制之間的關系。能夠設計這些環狀結構意味著科學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構-功能關系至關重要，這是因為基因表達的時空調控對于忠實的人類發育至關重要，以及基因的錯誤表達經常在人類疾病中發生。利 用光對基因組拓撲結構進行改造為理解這種關聯性的因果關系開辟了新的可能性。此外，我們預計，從長遠來看，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元亞型中的環狀結構形成。”