斯坦福大学的研究人员重新设计了CRISPR-Cas9基因编辑技术，以便在三维空间中操纵基因组，使他们能够将遗传片段运送到细胞核的不同位置。这项被称为CRISPR-基因组组织或简称CRISPR-GO的新技术使用经修饰的CRISPR蛋白质在三维空间中重组基因组。如果CRISPR就像分子剪刀一样，那么CRISPR-GO就像分子镊子一样，抓住基因组的特定部分，并在细胞核的新位置掠夺它们。但它不仅仅是物理搬迁：取代遗传因素可以改变它们的运作方式。

该研究揭示了基因组在细胞核中的空间组织如何控制细胞整体功能的新亮点。

生物工程和化学与系统生物学助理教授Stanley Qi博士说：“为什么细胞内空间组织重要的问题是一个重要的问题，而且它也不是科学家们所认同的问题。” “CRISPR-GO可以提供一个回答这个问题的机会，让我们能够定位，移动和重新定位非常特定的DNA片段，看看他们在细胞核中的新位置如何改变它们的功能。”

大多数哺乳动物细胞含有一个核，如果在一条线上伸展，它可以容纳超过6英尺的DNA。这种遗传物质决定了细胞的命运，如果不合适或受损，可能会导致疾病。以前的研究表明，DNA倾向于在细胞核的某些区域聚集。然而，这种放置如何影响DNA的功能仍不清楚。

在原理论证研究中，Qi使用CRISPR-GO研究了三个不同的细胞核亚区，测试了一个总体假设：基因和其他遗传元素在细胞核的不同区域中表现不同吗?

到目前为止，他们的数据显示核中特定的区室和一些自由漂浮的蛋白质体可以影响重新定位的DNA的功能。根据遗传物质的位置，一些核区域抑制基因表达，一些核区域加速端粒生长，随后细胞分裂。一个蛋白质体甚至可以保持抑制肿瘤形成的能力。

一项详细介绍这项研究的研究将于10月11日在Cell上发表。齐是资深作者。博士后学者，王海峰，博士，是第一作者。

弥合差距

揭开基因组物理细节的神秘面纱已被证明是一项繁琐的工作，但现有的一些技术可以让科学家们进入细胞，看看他们的胆量是如何组织的。缺少的是一种篡改这个组织的方法。CRISPR-GO是第一个为研究人员提供这样做的方法。

通过退役CRISPR-Cas9的“切割”机制，编辑工具变得更像是一种递送系统，Qi用于通过可编程的指导RNA将小段DNA递送到细胞核中的新位置。

CRISPR-GO有三个基本部分。首先，Qi所谓的遗传目标的“地址”是你想要重新定位的 - 一段用结合RNA互补链靶向的DNA。然后，您需要目的地的地址 - 您要移动染色质的核区室中DNA的特定部分。最后，还有“桥”，在这种情况下，它是一种催化剂，可以激发目标DNA凝固到细胞核中的新家。

“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，”齐说。“这与我们在这里所做的并没有太大不同。”

不同的房间，不同的功能

齐描述了核隔间的功能，如房屋的空间。在你家的每个房间，你做不同的事情 - 在厨房，你做饭; 在卧室里，你睡觉。在细胞核中，同样的概念适用。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。Qi和他的实验室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，这取决于它们移动它的位置。

通过使用CRISPR-GO，研究人员观察到基因重新定位到细胞核的一部分，称为Cajal体，一种无定形且有些神秘的蛋白质和RNA，停止表达蛋白质。

“我们非常兴奋地看到这一点;这是研究人员第一次有证据表明Cajal身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，”Qi说。“这表明Cajal身体在控制转录方面有一些意想不到的作用。” 这可能很大，因为转录是合成蛋白质生产“代码”的重要过程。

当Qi使用CRISPR-GO移动端粒DNA时 - 染色体的分子帽与长寿相关 - 从细胞核的中间到边缘，端粒停止生长，停止细胞周期并降低细胞活力。然而，相反的情况发生在端粒移近Cajal体时：它们生长，并且在这样做时，细胞活力增加。

第三种应用使用CRISPR-GO形成早幼粒细胞白血病体。众所周知，这种蛋白质可以抑制促肿瘤基因。通过将其定位于细胞核中致癌基因的旁边，Qi计划测试它是否有助于抑制肿瘤形成。

“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，”Wang说。

Qi表示，虽然CRISPR-GO显示的证据令人兴奋，但研究仍处于试验阶段，在确认研究结果之前还有更多工作要做。

“我们对这里的潜力感到非常兴奋，虽然我们已经回答了几个问题，但我们已经开放了大约20个，”齐说。

他说，解释为什么这些基于位置的效应发生在特定的核区室中，以及根本原因是什么将更为重要。有一天，齐希望，这一系列研究将对人类健康产生影响。