Nature：人類(lèi)借助CRISPR技術(shù)實(shí)時(shí)觀測(cè)活細(xì)胞內(nèi)的基因運(yùn)動(dòng)

 對(duì)于弗吉尼亞大學(xué)（University of Virginia）Mazhar Adli教授來(lái)說(shuō)，這些在電腦屏幕上飛舞的小點(diǎn)點(diǎn)，代表了他夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)。這些熒光點(diǎn)的實(shí)時(shí)移動(dòng)，指明了一種從未有過(guò)的方式，讓我們有望對(duì)人類(lèi)基因組、癌癥和遺傳疾病產(chǎn)生新的理解。 Mazhar Adli教授的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種能夠?qū)崟r(shí)跟蹤活細(xì)胞內(nèi)基因的方法，可以讓特定的基因片段發(fā)光。這樣，人們就能夠以三維的視角觀測(cè)到基因在細(xì)胞內(nèi)的位置和運(yùn)動(dòng)路徑，就像用天文望遠(yuǎn)鏡觀察太空中的星星一樣。這一重要突破發(fā)表在近期的《自然》子刊《Nature Communications》上。

▲新技術(shù)對(duì)HeLa細(xì)胞17號(hào)染色體上一個(gè)片段的實(shí)時(shí)觀測(cè)（圖片來(lái)源：《Nature Communications》）
在細(xì)胞中的定位以及與其他基因的相對(duì)位置，會(huì)對(duì)一個(gè)基因的效應(yīng)產(chǎn)生重要的影響。 因此，針對(duì)特定基因在細(xì)胞中的三維定位將有望幫助科學(xué)家以一種新的視角，大大加深對(duì)我們理解基因如何工作和相互作用，以及對(duì)我們健康的影響。
▲文章通訊作者M(jìn)azhar Adli教授（左）和Ahmet Yildiz教授（右）（圖片來(lái)源：弗吉尼亞大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校官網(wǎng)）
“這個(gè)夢(mèng)我已經(jīng)做了很久，”Mazhar Adli教授說(shuō)道：“我們能夠在活細(xì)胞中對(duì)基因組中幾乎任何一個(gè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，而且效果很好。采取傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)方法，你基本上永遠(yuǎn)都不會(huì)得到這樣的數(shù)據(jù)，因?yàn)槟惚仨殮⑺兰?xì)胞才能進(jìn)行此種成像，但是我們現(xiàn)在卻可以在活細(xì)胞中做到實(shí)時(shí)成像。” 盡管DNA是線性分子，但也會(huì)折疊成三維結(jié)構(gòu)。這時(shí)，原本在DNA鏈上線性距離很遠(yuǎn)的兩個(gè)基因，也可能會(huì)相互接近，進(jìn)而發(fā)生影響基因功能發(fā)揮的相互作用。 新方法采用了CRISPR／Cas9基因編輯系統(tǒng)。研究者在單鏈引導(dǎo)RNA（sgRNA）的尾部連接了16個(gè)重復(fù)的MS2 RNA片段，配以失去核酸酶活性的dCas9酶，以避免破壞靶標(biāo)基因。MS2片段源自噬菌體，其折疊結(jié)構(gòu)可與MS2被殼蛋白（MCP）結(jié)合。這時(shí)，若以熒光基因標(biāo)記MCP，便可在光學(xué)顯微鏡下對(duì)特定基因進(jìn)行活細(xì)胞成像。實(shí)驗(yàn)顯示，如果增加MS2片段的重復(fù)次數(shù)，則可顯著提高信噪比和靈敏度，即便對(duì)于低重復(fù)和非重復(fù)基因片段也能進(jìn)行三維觀察。此外，研究者還可以使用CRISPR技術(shù)，將特定基因“打開(kāi)”或“關(guān)閉”，然后再來(lái)看看會(huì)細(xì)胞內(nèi)發(fā)生什么。
▲經(jīng)過(guò)改造的CRISPR／Cas9系統(tǒng)可以對(duì)特定基因片段進(jìn)行標(biāo)記（圖片來(lái)源：《Nature Communications》）
這一新方法克服了基因成像長(zhǎng)期以來(lái)存在的限制?！拔覀?cè)桓嬷@是永遠(yuǎn)都做不到的，” Mazhar Adli教授說(shuō)道：“是有一些方法能讓你看到三維組織結(jié)構(gòu)，但是你必須對(duì)數(shù)以億計(jì)的細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且得先殺死這些細(xì)胞。我們現(xiàn)在可以在單細(xì)胞水平直接觀察活細(xì)胞，可以對(duì)那里發(fā)生的一切進(jìn)行錄像?！?為了成像而培養(yǎng)大量的細(xì)胞并將其殺死，是一件十分耗時(shí)的事情，并且難以弄清楚細(xì)胞內(nèi)部的DNA究竟經(jīng)歷了什么，就像很難從球賽的剪影中看懂足球的規(guī)則。Mazhar Adli教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新方法，就好比能讓人們坐下來(lái)，完整地觀看一場(chǎng)球賽的錄像?！斑@是一個(gè)十分激動(dòng)人心的事情，”他說(shuō)道。