Genome Biol丨SiCLAT：活细胞同时标记DNA和RNA研究染色质高级结构与功能示踪系统

BioArtMED · 公众号 · · 2025-01-17 14:30

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在真核细胞中，长约两米的DNA如何被储存于10微米左右的细胞核中是生物学的一个重要的问题。近十年来，基于测序的Hi-C及其衍生技术以及基于成像的染色质示踪技术（chromatin tracing）如MERFISH技术等使我们逐渐破译3D染色质结构的不同层级，如染色质区室（ A/B compartments） , 拓扑结构域（topologically associated domains，TADs）和染色质环（chromatin loops）等。Hi-C和chromatin tracing等技术可以解析全基因组范围或特定范围内的基因组结构信息。然而，此类技术只能捕获群体细胞或单个细胞瞬时的三维基因组结构，对于探索可能具有不同动态特征的启动子-增强子互作（E-P interaction）或是其他调控元件之间互作的功能并不能提供直接的证据。因此，在活细胞中标记示踪染色质结构和RNA对探索染色质结构与其转录调节功能至关重要。

在过去的研究中，通过基因编辑的方式在模式生物果蝇（Drosophila）及小鼠胚胎干细胞中插入parS、PP7或MS2等元件实现了对特定DNA与RNA位点的成像标记。但是，该系统在其他位点或原代培养细胞上的应用受到了基因编辑效率的较大限制。

近日，中国医学科学院基础医学研究所张勇、生物岛实验室 朱大海 课题组在 Genome Biology 杂志上发表了题为 SiCLAT: simultaneous imaging of chromatin loops and active transcription in living cells 的研究论文。该研究 开发了一种名为SiCLAT的方法，可以在模型小鼠的原代活细胞中实时标记特定基因相关的染色质环锚点DNA与RNA 。这是该实验室继2022年报道MyoD作为3D“基因组组织者”非经典新功能（Wang et al. 2022, Nature Communications）和2023年报道CTCF与pioneer TFs协作调控谱系特异基因表达（Liu et al. Cell Report, 2023）后在染色质高级结构领域系列研究的继续，该living cell imaging 系统为验证MyoD 3D“基因组组织者”非经典新功能提供了理想的活细胞成像平台。

SiCLAT成像标记系统是基于稳定表达dCas9与dCas13d蛋白的小鼠模型实现的。该小鼠通过与不同谱系特异性启动子驱动表达的Cre小鼠进行杂交，或直接分离小鼠原代细胞并递送表达Cre重组酶来激活dCas9与dCas13d蛋白的表达。通过电穿孔递送由15-20个不同荧光gRNA组成的探针池（fgRNA pool），在活细胞核中组装荧光核糖核蛋白（fRNP）以实现 DNA 和RNA的共标记。

研究人员利用SiCLAT技术实现了不同谱系原代细胞的DNA标记 （图1） ，并在骨骼肌干细胞中完成了不同基因组距离的E-P互作标记，发现了这些E-P互作具有与Hi-C图谱相符合的谱系特异性。研究人员进一步标记了在骨骼肌干细胞分化过程中在 Actc1 基因位点特异性形成的多相互作用位点（interaction hub），发现了在该位点E-E互作相比于E-P互作具有更短的平均物理距离。