科研人员开发出新型活细胞DNA成像技术

三维基因组互作与表观遗传修饰是基因表达调控的重要因素，其动态变化与细胞生长发育、癌症等疾病的发生发展密切相关。解析染色质在活细胞内的时空动态，是理解基因调控机制的重要科学问题之一。现有基于CRISPR-Cas系统的成像方法可靶向内源基因序列，但仍受系统复杂性和灵敏度的限制，在非重复序列成像、多位点成像及原代细胞应用方面面临挑战。

11月6日，中国科学院生物物理研究所研究团队联合清华大学，将CRISPR技术与拓展遗传密码技术结合，开发出CRISPR PRO-LiveFISH，这一新型活细胞DNA成像技术。该技术引入了扩展遗传字母表中的正交非天然碱基对，并结合Cas9与sgRNA结构的理性设计，实现了对sgRNA的位点特异性荧光标记，提升了探针标记的灵敏度。

PRO-LiveFISH技术通过整合DNA文库与拓展遗传密码技术，采用体外转录与转录后修饰相结合策略，制备出高通量、位点特异性标记的高效sgRNA探针库，实现了非重复DNA序列的高灵敏度活细胞成像。该技术适用于原代细胞，可对6个不同基因位点同时进行多色动态观测，仅需10条sgRNA即可在活细胞中有效标记非重复序列。该技术在简化操作的同时，可降低对内源基因结构和功能的潜在影响。

研究团队进一步利用PRO-LiveFISH技术，实现了活细胞内多基因位点的同步动态观测，揭示了表观修饰和染色质互作相关的动态调控规律。研究通过比较不同细胞状态与不同细胞类型中同一基因位点的运动行为，发现染色质运动状态与其表观修饰水平密切相关，即活跃的组蛋白修饰（如乙酰化）通常伴随相对受限的位点运动，而乙酰化水平下降位点运动会相对增强。同时，研究通过对特定增强子及其靶基因进行同步动态标记，发现它们在动态运动中依然保持持续的空间邻近，提示增强子—启动子互作具有较高的时空稳定性。超级增强子及其靶基因的追踪显示，转录共激活因子BRD4是维持三维互作的关键分子，当其功能被抑制时，此类互作便会解离。上述发现从动态视角，深化了学界对基因调控机制的理解。

CRISPR PRO-LiveFISH技术适用于非重复DNA序列动态标记及原代细胞成像，为动态三维基因组研究提供了新的活细胞多色成像工具。借助该工具，研究揭示了染色质动态与表观遗传之间的关联规律，解析了增强子—启动子的时空互作特性，并阐释了转录共激活因子BRD4在维持超级增强子三维互作中的关键作用，深化了学界对表观调控和三维基因组时空动态调控机制的理解。

相关研究成果发表在《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院、北京市科学技术委员会的支持。

论文链接

CRISPR PRO-LiveFISH设计策略及应用