Science：利用基於CRISPR/Cas9的DNA標記技術觀察動態的DNA舞蹈
DNA在轉錄期間發生抽動，讓相距較遠的基因組區域接觸，從而增強基因表達。在一項新的研究中，來自美國斯坦福大學的研究人員開發出一種新的方法來標記單個非重複性的DNA序列。相關研究結果於2018年1月25日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Transcription-coupled changes in nuclear mobility of mammalian cis-regulatory elements」。
圖片來自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。
這些研究人員發現DNA在轉錄期間甩動，就像一束義大利麵條被吸入噘起的嘴唇中。就像由此產生的失控飛行的醬汁一樣，這個令人吃驚的發現與傳統觀點---它推測將相隔較遠的增強和促進基因表達的基因組區域聚集在一起需要靜態的DNA環---背道而馳。
這種新的DNA標記技術能夠利用熒光分子精確地標記任何單個DNA片段，並追蹤它們的三維位置和運動，從而允許揭示出這種DNA舞蹈。這些研究人員將這種技術稱為嵌合gRNA寡核苷酸陣列（chimeric array of gRNA oligo, CARGO）。它是CRISPR/Cas9基因編輯工具的一種變體，有望引發基因組動力學研究變革。
「完全是意料之外和令人吃驚的」
論文通信作者、斯坦福大學醫學院發育生物學教授、化學與系統生物學教授Joanna Wysocka博士說，「我們發現當DNA聚合酶通過一段DNA時，它提供了一種分子攪動（molecular agitation）源，這種分子攪動增加了局部的染色體結構域內的移動性，並且能夠重複地將相隔較遠的基因組區域聚集在一起。這完全是出乎意料和令人吃驚的，並且直接反駁了關於轉錄的普遍看法。這僅是我們和其他人如今能夠通過利用CARGO對特定的DNA區域進行標記而學習到新知識的一個例子。」
CRISPR最常被用來尋找基因組中的特定DNA序列，並利用其他的DNA序列加以替換。為此，一種被稱作Cas9的酶利用一段較短的RNA序列作為嚮導將這些DNA序列引導到基因組中的正確位點上。
其他的研究人員開發出的這種CRISPR技術的一種變體使用了嚮導RNA（gRNA）和具有Cas9的一種催化失活形式（dCas9）的CRISPR系統來識別特定的DNA片段，並利用熒光分子加以標記。但是，在高度重複的基因組區域，這種方法表現得最佳，在那裡，單個gRNA能夠聚集產生通過顯微鏡觀察到的足夠光線所必需的臨界熒游標記數量。
Guys、作為論文第一作者的研究生Bo Gu和另一名論文共同作者Tomasz Swigut博士設計了一種方法：將由許多不同的gRNA組成的陣列導入細胞中，從而精確地識別獨特的非重複性DNA片段並利用多種熒光分子對它們進行標記，這樣就能夠在顯微鏡下很容易地可視化觀察到它們。
「CARGO解決運送問題」
Wysocka說，「在基因組中，所有最有趣的東西都是作為單一拷貝存在的。一段時間以來，人們一直試圖對單個基因組區域進行標記，但是都未取得成功。不過，CARGO解決了運送問題。如今，我們能夠利用許多不同的gRNA對想要的任何基因組區域進行標記，因此我們能夠清楚地觀察到。」她和Gu強調道CARGO技術將對尋求解答關於基因組或基因表達的許多不同問題的研究人員是有用的。
它已讓人們關注轉錄過程。當距離較遠的增強子區域與被稱作啟動子的其他DNA區域靠近時，這種轉錄過程往往就會啟動。
Wysocka說，「我們發現當附近的基因被轉錄為RNA時，我們研究的任何位點在它的活性狀態下的移動速度快了大約4倍。我們提出這種增強的運動或擴散可能會將距離較遠的DNA區域聚合在一起，進一步促進轉錄。」
參考資料：
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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