王海峰/颉伟团队等合作者开发新型CRISPR活细胞成像技术揭示染色质动态调控机制

展源 2025-11-14

三维基因组结构与表观遗传修饰是调控基因表达的重要机制，其动态变化与发育、细胞命运决定及癌症等疾病的发生密切相关。测序技术与固定细胞荧光原位杂交（Fluorescence in situ hybridization, FISH）等方法极大推动了三维基因组互作的研究，但这些方法多依赖固定样本，难以反映染色质在活细胞中的实时动态变化。实现基因组在活细胞内的时空可视化是理解基因调控动态的关键。现有基于CRISPR-Cas系统的活细胞成像技术虽能靶向内源基因序列，但在非重复序列标记、多位点同时成像及原代细胞应用方面仍存在灵敏度不足、系统复杂度高等难点。

2025年11月6日，清华大学生命科学学院王海峰课题组、颉伟课题组与中国科学院生物物理研究所方显杨课题组在《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）期刊在线发表题为 “基于CRISPR的活细胞成像研究非重复基因位点的染色质动态及增强子互作”（CRISPR live-cell imaging reveals chromatin dynamics and enhancer interactions at multiple non-repetitive loci）的研究论文。该研究创新性地将CRISPR技术与拓展遗传密码技术相结合，研发出新型活细胞多色DNA成像技术——CRISPR PRO-LiveFISH（Pooled gRNAs with Orthogonal bases LiveFISH），实现了在活细胞中对非重复DNA序列的高灵敏度、多通道实时成像，并探索了表观修饰、增强子互作与染色质动态之间的调控规律。

研究团队在此前CRISPR LiveFISH技术的基础上进行了系统性升级，首次在CRISPR系统的引导RNA（sgRNA）标记中引入拓展遗传字母表中的正交非天然碱基对（unnatural base pairs, UBPs），结合Cas9/sgRNA结构指导的理性设计，实现了位点特异性的sgRNA荧光标记，显著提升了染色质活细胞成像的灵敏度和信噪比。PRO-LiveFISH可同时实现多达6个基因位点的多色动态观测，在无需信号放大的情况下，仅使用约10条sgRNA可有效标记非重复基因位点，适用于包括原代细胞在内的多种细胞类型。

图1：CRISPR PRO-LiveFISH 的设计策略及应用

利用PRO-LiveFISH技术，研究团队成功实现了活细胞内多基因位点的动态观测，系统探索了表观修饰和染色质互作相关的动态调控规律。首先，通过比较不同细胞状态、不同细胞类型中同一基因位点的运动行为，发现染色质运动状态与其表观修饰水平密切相关：活跃的组蛋白修饰（如乙酰化）常伴随着受限的位点运动，而乙酰化水平下降则伴随更高的位点动态。通过对特定增强子及其靶基因进行同步动态标记，研究发现它们在动态运动中依然能保持持续的空间邻近，说明这一基因位点的增强子-启动子（E-P）互作在时空维度上具有相对稳定性。最后，通过对超级增强子及其靶基因的追踪，发现转录共激活因子BRD4在维持此类三维互作中发挥关键作用。当BRD4活性受到抑制时，超级增强子及其靶基因的空间距离显著增加，表明了相应的三维互作的解离。这些发现从动态视角阐释了转录共激活因子BRD4对三维基因组的调控机制。

综上， CRISPR PRO-LiveFISH通过结合拓展遗传字母技术与sgRNA理性设计，为动态三维基因组研究提供了灵活高效的活细胞多色成像平台。该技术不仅适用于非重复DNA序列的动态标记，也可应用于原代细胞增强子-启动子互作的标记。借助该工具，研究团队探索了染色质动态与表观遗传之间的相互关联、解析了增强子-启动子互作的时空特性，并阐释了转录共激活因子BRD4在维持超级增强子三维互作中的关键作用，从而深化了对表观调控和三维基因组时空动态调控机制的理解。

文章来源：Bioon细胞

内容来源：Bioon细胞

责任编辑：展源

审　　核：何发

王海峰/颉伟团队等合作者开发新型CRISPR活细胞成像技术揭示染色质动态调控机制

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