活细胞中基因转录与染色质运动的实时观测技术!

【研究背景】

人类基因组是细胞内的遗传物质，其高度动态的特性在转录、复制和DNA修复等过程的实现中发挥着至关重要的作用。与传统的基因组研究方法相比，近年来的研究揭示了基因组在时空组织上的复杂性，这对理解基因表达和调控等生物过程具有重要意义。然而，如何从分子水平理解染色质的运动与基因表达之间的关系，以及这一过程对细胞功能的影响，仍然存在许多未解之谜，因此带来了重大的科学挑战。

近日，来自纽约大学Alexandra Zidovska教授团队在基因组动态研究中取得了新进展。该团队采用了同时的双颜色旋转盘共聚焦显微镜技术，设计了CRISPR-dCas9-PCP-mCherry系统，实现了对单个基因运动和全基因组动态的实时观察。通过对MUC4和IL6两个基因的监测，他们发现基因转录活动与附近基因组的运动存在密切联系，这种联系受到染色质紧缩状态的调节。研究表明，单个活跃基因可以在低紧缩区域驱动更大尺度的基因组运动，而高紧缩染色质则会驱动基因运动，无论其转录状态如何。

利用位移相关光谱技术（DCS），该研究显著提高了对染色质运动及其生物学功能的理解，成功获取了基因活动、染色质空间异质性及其出现的全基因组运动之间的关系。这一发现揭示了基因组的时空组织如何直接影响基因调控与表达，为今后深入研究基因组动态及其在健康和疾病中的作用提供了新的视角和思路。通过这些研究，科学界对基因组的复杂动态行为有了更深入的认识，有望为基因调控机制的理解和相关疾病的治疗提供理论依据。

【表征解读】

本文通过位移相关光谱（DCS）技术和同时的双颜色旋转盘共聚焦显微镜（spinning disc confocal microscopy），揭示了人类基因组在细胞核内的动态行为，特别是基因转录与全基因组运动之间的关联。DCS技术的应用使我们能够实时映射细胞核内染色质的运动模式，发现了染色质在细胞核中以微米尺度的域形式进行有序的运动，这一发现为理解基因组的自组织和功能提供了新的视角。

针对染色质在活细胞中所展现的相干运动现象，本文深入探讨了其微观机制。通过监测特定基因（如MUC4和IL6）的转录活动，结合其周围染色质的物理环境，我们揭示了染色质紧缩程度对基因运动的影响。研究结果表明，单个活跃基因能够驱动低紧缩区域的大尺度运动，而在高紧缩区域，染色质的特性则主导了基因运动，不论其是否处于转录状态。这一发现提示我们，基因运动不仅与其自身的转录活动相关，还受到周围染色质环境的显著影响。

在此基础上，本文通过系统的运动相关性分析，揭示了基因转录活动如何与染色质的空间异质性相互作用。这些发现表明，基因组的时空组织对于基因调控和表达具有重要影响。尤其是，染色质的不同紧缩状态导致了基因运动的显著变化，从而影响了转录过程的效率和稳定性。这一机制的揭示为我们提供了理解基因表达调控的新视角，尤其是在疾病状态下，如癌症和神经疾病等。

总之，经过对染色质动态的深入分析和表征，本文明确了基因转录与基因组运动之间的复杂关系，并探讨了染色质微观结构与基因活动之间的相互作用。这些研究不仅加深了我们对基因组时空组织的理解，还为新材料的制备提供了理论基础，特别是在开发基于基因组动态特性的生物材料方面。这些进展将推动生物医学和基因工程等领域的进一步发展，为我们深入理解生命现象及其调控机制提供了新的思路和方法。

使用CRISPR-dCas9和PP7干环结合蛋白对单个基因进行体内可视化

原文详情：Chu, FY., Clavijo, A.S., Lee, S. et al. Transcription-dependent mobility of single genes and genome-wide motions in live human cells. Nat Commun 15, 8879 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51149-4