基于CRISPR-Cas9系统的四维基因组成像技术开发及应用

The eukaryotic genomes are more than linear DNA sequences. Instead, they function as complex, dynamic, folded, three-dimensional (3D) chromatin fibers in vivo. The spatiotemporal arrangement of genomes within the cell nucleus is intimately connected with transcriptional control and human diseases. To uncover the mysteries of 3D genome, one of the ultimate challenges is the development of strategies that directly capture the dynamics of endogenous genomic elements over a time with high resolution in single living cells. Our project will build on my expertise in CRISPR-Cas9-based techniques, endogenous DNA imaging in living cells, and genetic studies using model organisms. We aim to efficiently label non-repetitive genes and their transcriptional products mRNA simultaneously in both human cells and model organisms at the level of single cells. Furthermore, we will elucidate the relationship between 3D genome dynamics and gene activity during stress response and animal development. I expect our studies will provide powerful techniques for 4D genome research and bridge the crucial gap between genome organization and cellular function.

基因组的一维线性信息如何储存于细胞核的三维空间里，并如何在特定时空上指导基因表达是有待解决的重大科学问题。近年来一系列的研究证实了基因组三维结构是不断变化的动态结构，对基因表达、疾病发生有重要的作用。然而，用于实时追踪三维基因组动态并解析其生物学意义的技术和方法仍有待开发。本项目拟在本课题组开发活细胞DNA成像技术的基础上，运用项目申请人在CRISPR-Cas9、基因组成像和模式生物发育等领域的知识积累和研究经验，进一步优化CRISPR-Cas9成像技术，实现不含重复序列基因的高效标记，开发特定基因DNA与mRNA的双标记，在人细胞和模式生物内实现单细胞水平上基因的三维结构动态与转录活性的同时追踪，探索基因组三维结构动态对基因表达的调控作用。本项目的开展将为四维基因组学研究提供重要的技术支持，并推动我们深入理解基因组的三维结构与功能。

基因组三维结构是不断变化的动态结构，对基因表达、疾病发生有重要的影响。然而，用于实时追踪三维基因组动态并解析其转录调控的技术仍有待开发。本项目首先开发了CRISPR-Tag的新型DNA 标签，该方法通过在荧光蛋白的内含子区域内组装CRISPR-Tag，然后将该重组荧光蛋白标签插入到特定基因的N或C端，利用1-4 sgRNAs就能高效地标记非重复蛋白编码基因的DNA和蛋白。CRISPR-Tag标签最小尺寸为~250 bp，是一种简单，且具有普适性的基因标记技术，不再受sgRNA活性限制。蛋白质编码基因是基因组上最主要的功能性元件。研究这类基因的表达调控，将极大丰富我们对三维基因组的认识。该工作发表在Nature Communications杂志。另外，CRISPR-Tag的开发促进了可视化疱疹病毒DNA的技术开发，研究成果发表在Journal of Virology杂志。为了更系统性地研究基因转录调控，本项目进一步开发了TriTag技术。TriTag是一种多功能标签，它集成了CRISPR-Tag (DNA标记)，MS2适体(RNA成像)和荧光蛋白(蛋白质跟踪)三种可视化系统。该策略允许在整个细胞周期或在应激反应中以单等位基因分辨率精确定量基因表达。我们通过记录染色质动态、转录爆发和蛋白质产生，解析了染色质动力学的变化与内源性基因表达调控的关系，有利于更准确地解析基因转录调控机制。TriTag工作发表在Nucleic Acids Research杂志。另外，TriTag技术的开发促进了新型基因激活方法Narta技术的开发，相关研究成果发表在Nature Communications杂志。总之，本项目的执行为研究基因组的动态调控提供了一系列新方法、新技术。