利用光敏CRISPR引导的凝聚物探测基因组

一些科学家提到戳刺DNA时，指的是字面意思——即他们指的是物理上推动染色质以评估DNA的物理性质。他们还会补充说，这种工作需要轻轻触碰，就像字面意思一样。

在普林斯顿大学，科学家们一直在利用光诱导生物分子凝聚物在目标DNA位点产生毛细力来推动DNA。这些凝聚物是VECTOR平台的一部分，VECTOR代表粘弹性染色质束缚和组织。

VECTOR在《细胞》杂志的一篇题为“凝聚物界面力重新定位DNA位点并探测染色质粘弹性”的文章中被介绍过。据普林斯顿大学团队介绍，VECTOR可以量化生物分子凝聚物和细胞结构之间形成的界面上的毛细管力。

“VECTOR可用于在几秒到几分钟的时间内以可编程方式重新定位基因组位点，定量揭示染色质粘弹性材料特性的局部异质性，”文章作者解释道。“这些合成凝聚物由活细胞中自然形成液体状结构的成分构成，凸显了天然凝聚物在产生力和重组基因组以及影响染色质结构方面的潜在作用。”

借助VECTOR，科学家只需轻轻一击光，就能重新排列生命的信息材料，将DNA链弯曲回自身，从而揭示基因组的物质性质。例如，VECTOR可用于确定移动染色体各部分所需的力以及染色体恢复到原始位置的能力。在当前的研究中，VECTOR帮助普林斯顿团队发现染色体在某些方面像弹性材料，在其他方面像流体。

“这里发生的事情确实令人难以置信，”化学和生物工程学教授CliffBrangwynne博士说。“基本上，我们把液滴变成了拨动活细胞内基因组的小手指。”

新方法的关键在于研究人员能够在细胞核内生成微小的液体状液滴。这些液滴就像水中的油一样形成，当暴露于特定波长的蓝光时会变大。由于液滴是由可编程蛋白质(基因编辑工具CRISPR中使用的蛋白质的改良版本)启动的，因此它们还可以将液滴附着在DNA的精确位置，以靶向感兴趣的基因。

该团队利用光来控制这一过程，找到了一种方法，让两个附着在不同序列上的液滴生长，然后将两个液滴合并在一起，最后缩小液滴，在液滴缩小时将基因拉到一起。整个过程大约需要10分钟。

研究人员表示，以这种方式对DNA进行物理重新定位代表了改造细胞以改善健康的全新方向，并可能带来新的疾病治疗方法。例如，他们展示了他们可以将两个相距较远的基因拉近，直到它们接触。现有理论预测，这可能导致对基因表达或基因调控的更大控制。

由于DNA既是信息的载体，又是物理分子，细胞需要展开DNA紧密盘绕的部分来复制信息并制造蛋白质。基因组中更有可能表达的区域在物理上不那么僵硬，更容易打开。沉默的区域在物理上更盘绕和紧凑，因此细胞更难打开和阅读。就像一本说明书，有些页面比其他页面更容易打开。

研究团队包括博士后学者AmyR.Strom博士和刚毕业的博士生YoonjiKim，他们选择使用被称为凝聚物的液体团块来弯曲DNA链并移动它们。虽然一些细胞成分就像肥皂泡一样，有一个独特的膜将内部与外部隔开，但凝聚物是液体状的液滴，它们融合在一起更像雨滴，没有膜将它们结合在一起。在形成并执行细胞功能后，它们可以分裂并再次分散。

为了更详细地研究染色质，Strom和Kim(Cell论文的主要作者)在Brangwynne实验室之前的研究基础上，利用激光从细胞中的生物分子中设计出凝聚物，以创建液滴并将其融合在一起。在这项新研究中，他们利用了一种额外的成分，将凝聚物附着在DNA链上的特定位置，并通过表面张力介导的力(也称为毛细力)快速准确地引导它们的运动，普林斯顿大学的研究人员曾认为这种力在活细胞中可能无处不在。以前，像这样移动DNA依赖于数小时甚至数天内的随机相互作用。

布兰格温说：“我们以前还无法在如此短的时间尺度上对核组织进行如此精确的控制。”

现在他们能够以这种受控的方式移动这些链，他们可以开始研究基因在新位置上是否表达不同。这对于进一步了解基因表达的物理机制和材料科学具有重要意义。

斯特罗姆说，科学家通过从外部戳核并测量整个核来观察核的硬度。科学家还可以观察一个基因，看看它是开启还是关闭。但两者之间的空间还不太清楚。

斯特罗姆指出：“我们可以利用这项技术绘制出细胞内部发生情况的图谱，从而更好地了解细胞内部何时会出现混乱，比如癌症内部。”

这种新工具旨在帮助研究人员更好地了解基因表达，但它并不打算编辑DNA。“我们的工具实际上不会像CRISPR那样切割DNA序列，”Kim说道。

“CRISPR确实对治疗需要切割和实际改变DNA序列的疾病非常有效，”Strom指出。这项技术可以用于治疗不同类别的疾病，尤其是与蛋白质失衡相关的疾病，例如癌症。“如果我们可以通过重新定位基因来控制表达量，”Strom建议，“那么我们的工具就有潜在的未来。”