华人先锋《Cell》发表CRISPR技术重要进展

亓磊（Lei Stanley Qi）教授

斯坦福大学亓磊（Lei Stanley Qi）教授早年毕业于清华大学，现任斯坦福大学生物工程学、化学和系统生物学系的助理教授，近年来他在CRISPR研究领域取得了一系列突破性进展，比如第一次采用CRISPR-Cas9系统的变种技术，改变了读取诱导多能干细胞(iPSCs)基因组的方式（由此入选了生物通的2016年生命科学风云人物）。

2013年，亓磊研究组在Cell发布论文介绍了课题组开发的基因沉默技术。研究人员将CRISPR用于基因表达序列特异性调控的平台，研发出了一种基于Cas9的基因调控方法。他们将这个系统称为CRISPRi，并指出这种RNA导向的DNA识别平台是基因组范围内基因表达选择性抑制的一种简单的新方法。

在此基础上，亓磊研究组研发了一种称为CRISPR-基因组组装（CRISPR-genome organization, CRISPR-GO）的新技术，这种技术通过一种经过修饰的CRISPR蛋白，在三维空间中重新组装基因组。

亓磊解释道：“如果说CRISPR-Cas9像是把分子剪刀，那么CRISPR-GO就像分子镊子，能抓住基因组中的特定部分，将它们放置在细胞核的新位置上。改变这些DNA的位置，就能改变它们的功能。”

这一研究成果公布在10月11日Cell杂志上。

缩小差距

要想揭开基因组物理细节的神秘面纱，并不容易，实际操作起来十分繁琐，但现有的一些技术可以让科学家们进入细胞，了解这些内部结构是如何组织的。不过还是缺少一种能修改这种组织结构的方法，CRISPR-GO就是第一个为研究人员提供这种功能的方法。

如果解除CRISPR-Cas9的“切割”作用，编辑工具就会变得更像是一种递送系统，亓磊研究组利用它通过可编程的导向RNA将DNA片段递送到细胞核中的新位置上。

CRISPR-GO有三个基本部分。

第一部分是亓磊称之为重新定位的靶DNA片段所在的“地址”—一段靶向一条互补的结合RNA的链的DNA，第二部分是靶标地址，也就是想要将染色质移动到的细胞核区室中的特定DNA部分。最后是其中的“桥（bridge）”，在这种情形下，这就是一种催化剂，能促进靶DNA片段移动到它在细胞核中的靶标地址。

“孩子们经常喜欢建造小铁路来帮助火车从一个车站到另一个车站，”亓磊说，“这与我们在这里所做的事情没有什么不同。”

不同的房间，不同的功能

同时，亓磊也描述了核隔间的功能，这就像是一个房间，我们家里的每个房间都有不同的功能，比如厨房是做饭的地方，卧室是睡觉休息的地方。在细胞核中，也有同样的概念。细胞核中有多个区室，它们在维护细胞功能方面都具有特定的作用。 亓磊等人研究了细胞核的三个不同区域，测试它们是否能以某种方式改变染色质的功能（这取决于移动的位置）。

研究人员通过CRISPR-GO，发现基因能重新定位到细胞核的一部分上（称为Cajal体，这是一种无定形且有些神秘的蛋白质和RNA团）。

“我们第一次证明Cajal体可以产生直接的基因调节作用，在这种情况下抑制基因表达，”亓磊说，“这表明Cajal体在控制转录方面有一些意想不到的作用。”

当亓磊使用CRISPR-GO将端粒DNA从细胞核的中间移动到边缘时，端粒停止生长，细胞周期也停止了，细胞活力下降。相反，当端粒移近Cajal体时，它们又能生长，并且细胞活力增加。

第三种应用是利用CRISPR-GO形成早幼粒细胞白血病小体（promyelocytic leukemia body, PML小体）。众所周知，这种蛋白质团可以抑制促癌基因。为此亓磊计划通过将其放置于细胞核中致癌基因的旁边，测试它是否可以帮助抑制肿瘤形成。

“CRISPR-GO的另一个独特优势是我们可以在显微镜下实时跟踪染色质DNA和核区室之间的相互作用，”文章的另外一位作者说。

虽然利用CRISPR-GO提供的证据是令人兴奋的，但是这项研究仍处于试验阶段，在这些研究结果得到验证之前，还有更多的研究工作需要开展。

“我们对此感到非常兴奋，”亓磊说。更为重要的是可以解释为什么这些基于位置的影响发生在特定的核区室，以及根本原因是什么。有一天，这一系列研究将对人类健康产生重要影响。

来源：生物通

原文标题：

CRISPR-Mediated Programmable 3D Genome Positioning and Nuclear Organization

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