三維基因組互作與表觀遺傳修飾是基因表達調控的重要因素，其動態變化與細胞生長發育、癌癥等疾病的發生發展密切相關。解析染色質在活細胞內的時空動態，是理解基因調控機制的重要科學問題之一。現有基于CRISPR-Cas系統的成像方法可靶向內源基因序列，但仍受系統復雜性和靈敏度的限制，在非重復序列成像、多位點成像及原代細胞應用方面面臨挑戰。
11月6日，中國科學院生物物理研究所研究團隊聯合清華大學，將CRISPR技術與拓展遺傳密碼技術結合，開發出CRISPR PRO-LiveFISH，這一新型活細胞DNA成像技術。該技術引入了擴展遺傳字母表中的正交非天然堿基對，并結合Cas9與sgRNA結構的理性設計，實現了對sgRNA的位點特異性熒光標記，提升了探針標記的靈敏度。
PRO-LiveFISH技術通過整合DNA文庫與拓展遺傳密碼技術，采用體外轉錄與轉錄后修飾相結合策略，制備出高通量、位點特異性標記的高效sgRNA探針庫，實現了非重復DNA序列的高靈敏度活細胞成像。該技術適用于原代細胞，可對6個不同基因位點同時進行多色動態觀測，僅需10條sgRNA即可在活細胞中有效標記非重復序列。該技術在簡化操作的同時，可降低對內源基因結構和功能的潛在影響。
研究團隊進一步利用PRO-LiveFISH技術，實現了活細胞內多基因位點的同步動態觀測，揭示了表觀修飾和染色質互作相關的動態調控規律。研究通過比較不同細胞狀態與不同細胞類型中同一基因位點的運動行為，發現染色質運動狀態與其表觀修飾水平密切相關，即活躍的組蛋白修飾（如乙酰化）通常伴隨相對受限的位點運動，而乙酰化水平下降位點運動會相對增強。同時，研究通過對特定增強子及其靶基因進行同步動態標記，發現它們在動態運動中依然保持持續的空間鄰近，提示增強子—啟動子互作具有較高的時空穩定性。超級增強子及其靶基因的追蹤顯示，轉錄共激活因子BRD4是維持三維互作的關鍵分子，當其功能被抑制時，此類互作便會解離。上述發現從動態視角，深化了學界對基因調控機制的理解。
CRISPR PRO-LiveFISH技術適用于非重復DNA序列動態標記及原代細胞成像，為動態三維基因組研究提供了新的活細胞多色成像工具。借助該工具，研究揭示了染色質動態與表觀遺傳之間的關聯規律，解析了增強子—啟動子的時空互作特性，并闡釋了轉錄共激活因子BRD4在維持超級增強子三維互作中的關鍵作用，深化了學界對表觀調控和三維基因組時空動態調控機制的理解。
相關研究成果發表在《自然·生物技術》（Nature Biotechnology）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院、北京市科學技術委員會的支持。
論文鏈接
CRISPR PRO-LiveFISH設計策略及應用
本文鏈接：科研人員開發出新型活細胞DNA成像技術http://www.sq15.cn/show-12-2048-0.html
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