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Science:挑战常规!利用基于CRISPR/Cas9的DNA标记技术观察动态的DNA舞蹈

来源:本站原创 2018-02-18 23:26


2018年2月18日/生物谷BIOON/---DNA在转录期间发生抽动,让相距较远的基因组区域接触,从而增强基因表达。在一项新的研究中,来自美国斯坦福大学的研究人员开发出一种新的方法来标记单个非重复性的DNA序列。相关研究结果于2018年1月25日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Transcription-coupled changes in nuclear mobility of mammalian cis-regulatory elements”。

图片来自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。 

这些研究人员发现DNA在转录期间甩动,就像一束意大利面条被吸入噘起的嘴唇中。就像由此产生的失控飞行的酱汁一样,这个令人吃惊的发现与传统观点---它推测将相隔较远的增强和促进基因表达的基因组区域聚集在一起需要静态的DNA环---背道而驰。

这种新的DNA标记技术能够利用荧光分子精确地标记任何单个DNA片段,并追踪它们的三维位置和运动,从而允许揭示出这种DNA舞蹈。这些研究人员将这种技术称为嵌合gRNA寡核苷酸阵列(chimeric array of gRNA oligo, CARGO)。它是CRISPR/Cas9基因编辑工具的一种变体,有望引发基因组动力学研究变革。

“完全是意料之外和令人吃惊的”

论文通信作者、斯坦福大学医学院发育生物学教授、化学与系统生物学教授Joanna Wysocka博士说,“我们发现当DNA聚合酶通过一段DNA时,它提供了一种分子搅动(molecular agitation)源,这种分子搅动增加了局部的染色体结构域内的移动性,并且能够重复地将相隔较远的基因组区域聚集在一起。这完全是出乎意料和令人吃惊的,并且直接反驳了关于转录的普遍看法。这仅是我们和其他人如今能够通过利用CARGO对特定的DNA区域进行标记而学习到新知识的一个例子。”

CRISPR最常被用来寻找基因组中的特定DNA序列,并利用其他的DNA序列加以替换。为此,一种被称作Cas9的酶利用一段较短的RNA序列作为向导将这些DNA序列引导到基因组中的正确位点上。

其他的研究人员开发出的这种CRISPR技术的一种变体使用了向导RNA(gRNA)和具有Cas9的一种催化失活形式(dCas9)的CRISPR系统来识别特定的DNA片段,并利用荧光分子加以标记。但是,在高度重复的基因组区域,这种方法表现得最佳,在那里,单个gRNA能够聚集产生通过显微镜观察到的足够光线所必需的临界荧光标记数量。

Guys、作为论文第一作者的研究生Bo Gu和另一名论文共同作者Tomasz Swigut博士设计了一种方法:将由许多不同的gRNA组成的阵列导入细胞中,从而精确地识别独特的非重复性DNA片段并利用多种荧光分子对它们进行标记,这样就能够在显微镜下很容易地可视化观察到它们。

“CARGO解决运送问题”

Wysocka说,“在基因组中,所有最有趣的东西都是作为单一拷贝存在的。一段时间以来,人们一直试图对单个基因组区域进行标记,但是都未取得成功。不过,CARGO解决了运送问题。如今,我们能够利用许多不同的gRNA对想要的任何基因组区域进行标记,因此我们能够清楚地观察到。”她和Gu强调道CARGO技术将对寻求解答关于基因组或基因表达的许多不同问题的研究人员是有用的。

它已让人们关注转录过程。当距离较远的增强子区域与被称作启动子的其他DNA区域靠近时,这种转录过程往往就会启动。

Wysocka说,“我们发现当附近的基因被转录为RNA时,我们研究的任何位点在它的活性状态下的移动速度快了大约4倍。我们提出这种增强的运动或扩散可能会将距离较远的DNA区域聚合在一起,进一步促进转录。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Bo Gu, Tomek Swigut, Andrew Spencley et al. Transcription-coupled changes in nuclear mobility of mammalian cis-regulatory elements. Science, Published online: 25 Jan 2018, doi:10.1126/science.aao3136

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