细胞核中的基因活性取决于所在位置？

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利用基于CRISPR的一项新技术，研究人员正在研究DNA在细胞核中的位置如何影响基因表达和细胞功能。细胞核与装满小猫的纸板箱有一些共同之处：人们对纸箱里的东西如此着迷，以至于忽略了容器本身。细胞核的容器通常被视为没有特征的膜袋，用来容纳至关重要的动态遗传物质。事实上，它有着专门的部门和内部结构。长期以来，科学家们一直推测，DNA相对于这些部分的精确位置可能非常重要。现在一组研究人员正在寻找可信的证据证明这一推测，并且验证它对基因表达有重要影响，使用CRISPR将细胞部分DNA固定在细胞核的不同区域进行观察。

上个月发表在《细胞》(Cell)上的这项研究，已经产生了对不同的核邻域如何与基因表达相关的有趣见解。6英尺的DNA错综复杂地捆绑在人类细胞的微小细胞核中，看起来就像一团意大利面条或一团缠结的线。但DNA如何在三维空间中精确定位至关重要。包装和折叠的程度使基因能够在正确时间正确地点被访问，让细胞机器能够快速有条理地发现和解码它们，调节它们的活动，并保持一切正常工作。这些重新排列也将基因组的特定部分置于细胞核内靠近或远离标记的地方。有证据表明DNA在细胞核的精确定位可能并非巧合。紧密缠绕、沉默的基因往往位于细胞核外围，而开放、活跃的DNA则位于细胞核内部。

CRISPR使研究人员控制细胞核内DNA的空间组织成为可能。图片：Crispe for Quanta Magazine

在细胞发育过程中，随着细胞分化，DNA会进行自我重组：当一些基因从受抑制状态转变为活跃状态时，它们也会从外围转移到内部。换句话说，通常在细胞核边缘附近发现的其他一些基因区域并不总是位于那里，当它们移动时，它们仍然会显示出相同的活动水平。因此生物学家一直在争论DNA的浓缩结构以及表达与其核位置的关系。具有某种特征的非活性基因可能被吸引到外围，或者外围本身就能使它们沉默。这些考虑在细胞核中心变得更加复杂，细胞核中心包含由各种核体定义的许多不同区域，如核仁(组装核糖体以生产蛋白质)和Cajal(帮助剪接RNA)。它们的功能也很难区分开来。

斯坦福大学(Stanford University)生物工程师史丹利·齐(Stanley Qi)持有改良后的CRISPR复合体的3D打印模型，他和团队创建这个模型是为了将DNA转移到选定的细胞核区域中。图片：Paul Sakuma Photography

相关性无处不在，但确定因果关系则是另一回事。加州理工学院的生物学家米切尔·古特曼（Mitchell Guttman）说：几十年来，基因组组织与核结构以及基因调控的关系一直都是研究的核心问题。因此在过去的四年里，斯坦福大学生物工程师史丹利·齐和同事们一直在努力为科学家们开始回答这些问题奠定实验基础。于是他们转向CRISPR，这个系统被广泛用于编辑基因、调节转录和拍摄细胞过程图像。现在他们已经发明了一种利用CRISPR来控制基因组空间的方法，并将这个过程命名为CRISPR-GO(GO的意思是“基因组组织”)。这是CRISPR技术的广泛扩展，这项技术从五年前就开始了，现在仍在不断发展。

这种实验方法有点像在研究人员在他们想要移动的基因上放置一条维可牢尼龙搭扣，在想要把基因移动到的核体上安装另一条维可牢尼龙搭扣。当DNA通过时，两个对应的维可牢尼龙搭扣就会粘在一起。更具体地说，科学家们使用了分子复合物CRISPR/Cas9——它可以切断失活的基因组，来靶向特定的DNA序列。蛋白质的一部分附在复合体上，第二部分附在细胞核中选定的结构上。随着DNA运转，研究人员添加了“诱导剂”分子，这种分子会连接蛋白质片段，将它们结合在一起，并将DNA固定在新的位置。移除诱导剂可以释放DNA，使其再次移动。

图片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

在此之前研究人员使用了另一种技术来试图达到实验结果。然而他们不得不设计一种特殊的细胞系，将一长串、高度重复的细菌或合成序列整合到感兴趣的基因旁。该系统使用困难，适用范围有限，而且该方法的侵入性也会影响实验结果，这类研究会得出不一致的结论，并且研究人员难解释。但是CRISPR-GO不需要科学家修改基因组，它可以精确地瞄准DNA的任何区域。纽约冷泉港实验室的分子生物学家大卫·斯佩克托（David Spector）说：在某种程度上，这种方法温和得多，而且更简单。利用CRISPR-GO，科学家们有了一个工具箱来探索核机构的真实运转。例如它们可能如何或可能不会影响特定基因的活动，以及它们在健康和疾病中扮演什么角色。

齐和团队展示了核机构如何工作，他们首先注意到不同的核体会表现出不同的状态。例如当他们将DNA重新定位到核外围时，是DNA推动了移动过程，这个过程花了将近一天的时间。当他们将基因组的一部分移植到Cajal体内时，Cajal在几分钟内就转移到了Cajal体内。这些发现可能揭示出了细胞核某些部位长期或短暂的激活和抑制，以及DNA相互作用如何积极维持的信息。正如之前研究所表明的那样，某些基因似乎存在一定空间关系，而另一些则不存在。尽管如此，还是发现了一些令人惊讶的联系，包括远程效应。例如将一些编码蛋白质的基因转移到Cajal 体内是，不仅抑制了它们的活性，也抑制了位于远处的DNA活性。

图片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

研究小组还研究了基因的非编码区域，具有调控或其他功能的序列，这些功能构成了DNA的绝大部分。他们特别关注位于染色体顶端与细胞寿命有关的端粒的DNA片段。当端粒重新定位到细胞核周围时，细胞分裂几乎停止。然而把端粒移到靠近Cajal体的地方，却出现了相反的效果，细胞生长和分裂得更快。这意味着染色体端粒在细胞核中的位置对于细胞完成正常的细胞周期很重要。Cajal体可能有这种作用，因为之前已经证明它们能产生一种有助于维持端粒长度的酶。研究人员仍然需要找出影响发生的原因，对不同细胞类型的各种基因和核体进行实验，不仅要测试它们对基因表达的影响，还要测试基因组的稳定性和其他因素，以找出基因组的组织方式和原因。

至少它似乎建立了一个额外的控制水平，通过创造活跃和不活跃的区域，细胞核可以阻止抑制转录的蛋白质异常关闭需要开启的基因，反之亦然。瑞士弗里德里希·米歇尔生物医学研究所的分子生物学家苏珊·加塞认为：专家们将会发现细胞核的位置对于非常特殊的过程很重要，比如DNA修复。但在很多时候，它反而会微调基因表达，DNA本身的开放或浓缩状态可能更有影响力。不过，CRISPR-GO可以用来测试这种想法。它还有助于调查核组织在发展和疾病方面的作用。长期以来，病理学家一直使用核形态学作为诊断工具:DNA的变化状态和分布与癌症和其他疾病相关，某些核体数量的增加也是如此，但目前尚不清楚这些是否是疾病的结果或病因。

总有一天，这个系统不仅可以用于探索和基础研究，还可以作为一种治疗手段。即便如此，一些专家仍持保留态度。伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的细胞生物学家安德鲁贝尔蒙特(Andrew Belmont)警告说：研究人员仍需要确认他们的技术准确地反映了细胞中的自然过程，而不是束缚产生某种人为后果。相关研究人员已经开发出了替代系统来解决这个问题，包括解决将自然序列插入目标DNA区域。不过CRISPR-GO的确代表着科学向前迈出的一大步。古特曼表示：预计CRISPR-GO将成为该领域许多人开始破解那些非常古老和非常重要的问题的一个得力工具。