双向表观遗传编辑揭示基因调控层次

2024-07-10 Wed
双向表观遗传编辑揭示基因调控的层次结构背景和研究动机在人类基因组中，非编码元件如增强子（enhancer）在基因调控中的作用已被广泛认知。然而，目前常用的CRISPR干扰方法在研究非编码元件和遗传相互作用方面仍存在一些局限性。主要是因为传统的CRISPR方法，如CRISPR干扰（CRISPRi）和CRISPR激活（CRISPRa），仅能一次性进行单个位点的编辑。这限制了研究人员对基因调控网络中相互作用的深入理解。因此，本研究致力于开发一种可以双向编辑表观遗传特性的系统，以解决这些问题。
来源和作者信息这篇题为”Bidirectional Epigenetic Editing Reveals Hierarchies in Gene Regulation”的研究论文，发表于《Nature Biotechnology》期刊。主要作者包括Naomi M. Pacalin、Zachary Steinhart、Quanming Shi、Julia A. Belk、Dmytro Dorovskyi、Katerina Kraft、Kevin R. Parker、Brian R. Shy、Alexander Marson和Howard Y. Chang。作者分别来自斯坦福大学、加州大学旧金山分校和Cartography Biosciences, Inc.，研究涉及了表观遗传学和基因组学等多个领域。
研究内容研究方法和流程本研究开发了一个新系统，称为CRISPRai，这个系统可以在单个细胞中对两个基因座同时进行激活（CRISPRa）和抑制（CRISPRi）。研究人员首先在K562和Jurkat细胞系中稳定表达CRISPRai系统，然后利用单细胞RNA测序技术进行高通量基因表达分析。具体步骤如下：
系统验证和初步实验：
验证了CRISPRai系统在稳定细胞系中的构建和表达。
使用体细胞实验确认了CRISPRai系统在不同CRISPR表达水平下对基因激活和抑制的效果。
设计和执行高通量双扰动实验：
设计了双向导向RNA（gRNA）对单细胞进行双向编码编辑实验。
用于检测一组代码相关的转录因子（TF）和原癌基因的基因组合。
扩展了最近开发的基于液滴的直接gRNA序列检测方法来捕获单细胞数据。
数据分析和结果解读：
通过单细胞RNA测序数据，识别了双重扰动基因，解释其在细胞中的表达变化。
进一步利用这些数据研究基因间的遗传相互作用，例如SPI1和GATA1间的相互作用。
研究结果系统验证和效果评估：
研究发现，在K562细胞中，双向干扰能可靠地调节目标基因的表达，且扰动强度与单次基因干扰基本一致。
进一步分析确认了双向CRISPRai扰动的稳定表达和高效性。
基因间相互作用的深入研究：
应用双向干扰鉴定了SPI1和GATA1的遗传相互作用。研究人员发现，通过双向扰动，可以显著增强对下游目标基因的调控效果。
结果表明，这两种转录因子在不同模式下对基因占位有不同的调控方式。
增强子-启动子调控层次结构的定义：
在Jurkat T细胞中，研究分析了IL2基因的增强子和启动子之间的调控关系。
研究揭示了IL2基因中存在强功能”门控”增强子，这些增强子能够显著影响启动子的表达，并且在某些情况下，启动子对增强子的干扰效果较为强大。
结论和研究意义本研究开发的CRISPRai系统大大扩展了表观遗传学研究工具箱，特别是在研究遗传相互作用和非编码基因元件方面。具体如下：
科学和应用价值：
该系统能够精确控制人类细胞中的基因和非编码元件，为基因组调控网络的研究提供了新的视角。
CRISPRai系统揭示了SPI1和GATA1在血液形成过程中的复杂相互作用，显示了双向扰动在理解基因网络调控中的独特优势。
在IL2基因研究中，阐明了”门控”增强子的存在及其对基因表达的调控机制，这为进一步研究非编码疾病相关变异提供了新思路。
研究亮点和创新点：
研究首次展示了双向表观遗传编辑（CRISPRai）的高效性和实用性。
通过结合高通量单细胞RNA测序技术，本研究能够深入解析复杂基因调控网络，识别出多个基因间的新型相互作用。
未来前景：
该系统可应用于更大规模的遗传相互作用研究，以探索疾病相关非编码变异的功能效应。
结合多组学数据，未来可以更全面地解析基因调控网络中的复杂相互作用，推动个性化医疗和精准医学的发展。
通过本研究，CRISPRai系统展示了其在基因调控和非编码元件研究中的巨大潜力，为表观遗传学和基因组学研究提供了强有力的工具和新方法。未来，可以预见CRISPRai系统将在更多的遗传相互作用和疾病机制研究中发挥关键作用。