利用基於CRISPR的一項新技術，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：人們對紙箱裏的東西如此着迷，以至於忽略了容器本身。細胞核的容器通常被視爲沒有特徵的膜袋，用來容納至關重要的動態遺傳物質。事實上，它有着專門的部門和內部結構。長期以來，科學家們一直推測，DNA相對於這些部分的精確位置可能非常重要。現在一組研究人員正在尋找可信的證據證明這一推測，並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域進行觀察。

　　上個月發表在《細胞》(Cell)上的這項研究，已經產生了對不同的核鄰域如何與基因表達相關的有趣見解。6英尺的DNA錯綜複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麪條或一團纏結的線。但DNA如何在三維空間中精確定位至關重要。包裝和摺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現和解碼它們，調節它們的活動，並保持一切正常工作。這些重新排列也將基因組的特定部分置於細胞核內靠近或遠離標記的地方。有證據表明DNA在細胞核的精確定位可能並非巧合。緊密纏繞、沉默的基因往往位於細胞核外圍，而開放、活躍的DNA則位於細胞核內部。

　　CRISPR使研究人員控制細胞核內DNA的空間組織成爲可能。圖片：Crispefor Quanta Magazine

　　在細胞發育過程中，隨着細胞分化，DNA會進行自我重組：當一些基因從受抑制狀態轉變爲活躍狀態時，它們也會從外圍轉移到內部。換句話說，通常在細胞核邊緣附近發現的其他一些基因區域並不總是位於那裏，當它們移動時，它們仍然會顯示出相同的活動水平。因此生物學家一直在爭論DNA的濃縮結構以及表達與其核位置的關係。具有某種特徵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複雜，細胞核中心包含由各種核體定義的許多不同區域，如核仁(組裝核糖體以生產蛋白質)和Cajal(幫助剪接RNA)。它們的功能也很難區分開來。

　　斯坦福大學(Stanford University)生物工程師史丹利·齊(Stanley Qi)持有改良後的CRISPR複合體的3D打印模型，他和團隊創建這個模型是爲了將DNA轉移到選定的細胞核區域中。圖片：Paul Sakuma Photography

　　相關性無處不在，但確定因果關係則是另一回事。加州理工學院的生物學家米切爾·古特曼（Mitchell Guttman）說：幾十年來，基因組組織與核結構以及基因調控的關係一直都是研究的核心問題。因此在過去的四年裏，斯坦福大學生物工程師史丹利·齊和同事們一直在努力爲科學家們開始回答這些問題奠定實驗基礎。於是他們轉向CRISPR，這個系統被廣泛用於編輯基因、調節轉錄和拍攝細胞過程圖像。現在他們已經發明瞭一種利用CRISPR來控制基因組空間的方法，並將這個過程命名爲CRISPR-GO(GO的意思是“基因組組織”)。這是CRISPR技術的廣泛擴展，這項技術從五年前就開始了，現在仍在不斷發展。

　　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複合物CRISPR/Cas9——它可以切斷失活的基因組，來靶向特定的DNA序列。蛋白質的一部分附在複合體上，第二部分附在細胞核中選定的結構上。隨着DNA運轉，研究人員添加了“誘導劑”分子，這種分子會連接蛋白質片段，將它們結合在一起，並將DNA固定在新的位置。移除誘導劑可以釋放DNA，使其再次移動。

　　圖片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

　　在此之前研究人員使用了另一種技術來試圖達到實驗結果。然而他們不得不設計一種特殊的細胞系，將一長串、高度重複的細菌或合成序列整合到感興趣的基因旁。該系統使用困難，適用範圍有限，而且該方法的侵入性也會影響實驗結果，這類研究會得出不一致的結論，並且研究人員難解釋。但是CRISPR-GO不需要科學家修改基因組，它可以精確地瞄準DNA的任何區域。紐約冷泉港實驗室的分子生物學家大衛·斯佩克託（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的真實運轉。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麼角色。

　　齊和團隊展示了核機構如何工作，他們首先注意到不同的核體會表現出不同的狀態。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體內時，Cajal在幾分鐘內就轉移到了Cajal體內。這些發現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係，而另一些則不存在。儘管如此，還是發現了一些令人驚訝的聯繫，包括遠程效應。例如將一些編碼蛋白質的基因轉移到Cajal 體內是，不僅抑制了它們的活性，也抑制了位於遠處的DNA活性。

　　研究小組還研究了基因的非編碼區域，具有調控或其他功能的序列，這些功能構成了DNA的絕大部分。他們特別關注位於染色體頂端與細胞壽命有關的端粒的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，卻出現了相反的效果，細胞生長和分裂得更快。這意味着染色體端粒在細胞核中的位置對於細胞完成正常的細胞週期很重要。Cajal體可能有這種作用，因爲之前已經證明它們能產生一種有助於維持端粒長度的酶。研究人員仍然需要找出影響發生的原因，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，通過創造活躍和不活躍的區域，細胞核可以阻止抑制轉錄的蛋白質異常關閉需要開啓的基因，反之亦然。瑞士弗里德里希·米歇爾生物醫學研究所的分子生物學家蘇珊·加塞認爲：專家們將會發現細胞核的位置對於非常特殊的過程很重要，比如DNA修復。但在很多時候，它反而會微調基因表達，DNA本身的開放或濃縮狀態可能更有影響力。不過，CRISPR-GO可以用來測試這種想法。它還有助於調查覈組織在發展和疾病方面的作用。長期以來，病理學家一直使用核形態學作爲診斷工具:DNA的變化狀態和分佈與癌症和其他疾病相關，某些核體數量的增加也是如此，但目前尚不清楚這些是否是疾病的結果或病因。

　　總有一天，這個系統不僅可以用於探索和基礎研究，還可以作爲一種治療手段。即便如此，一些專家仍持保留態度。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準確地反映了細胞中的自然過程，而不是束縛產生某種人爲後果。相關研究人員已經開發出了替代系統來解決這個問題，包括解決將自然序列插入目標DNA區域。不過CRISPR-GO的確代表着科學向前邁出的一大步。古特曼表示：預計CRISPR-GO將成爲該領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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