只需一盏微弱的灯光，研究人员便找到了重新排列生命基本结构的方法，将DNA链弯曲回自身，从而揭示基因组的物质特性。
科学家们长期以来一直在探讨染色体的物理特性。染色体是细胞内部最深处的结构，由长长的DNA链紧密缠绕在数百万个蛋白质周围。它们的行为更像液体、固体，还是介于两者之间?
了解和治疗疾病的许多进展都依赖于这个问题的答案。
普林斯顿大学的研究团队开发了一种方法来探测染色体，并量化它们的机械特性：移动染色体的一部分需要多大的力，以及它恢复到原始位置的程度。根据他们的研究，染色体在某些方面表现得像弹性材料，而在其他方面则像液体。通过利用这一洞察力，该团队能够以新的、精确的方式对DNA进行物理操作。
他们的研究结果于8月20日发表在《细胞》杂志上。
“这里发生的事情真是令人难以置信，”Cliff Brangwynne说，他是普林斯顿大学化学与生物工程教授，也是这项研究的首席研究员。“基本上，我们已经把液滴变成了在活细胞内拨动基因组琴弦的小手指。”
这种新方法的关键在于研究人员能够在细胞核内产生微小的液体状液滴。水滴像水中的油一样形成，当暴露在特定波长的蓝光下时会变大。由于液滴是由一种可编程蛋白质（基因编辑工具CRISPR中使用的蛋白质的修饰版本）启动的，它们还可以将液滴附着在精确位置的DNA上，瞄准感兴趣的基因。
研究小组利用光控制这一过程，发现了一种方法，可以培养两个粘附在不同序列上的液滴，将它们合并，最终缩小得到的液滴，随着液滴的缩小，将基因拉到一起。整个过程大约需要10分钟。
利用冷凝物（绿色），研究人员将DNA链的两个部分拉在一起，使它们能够接触。Wright Seneres的插图
研究人员表示，以这种方式对DNA进行物理重新定位代表了工程细胞改善健康的全新方向，并可能导致新的疾病治疗方法。例如，他们表明可以将两个相距遥远的基因拉向对方，直到它们接触。现有理论预测，这可能会导致对基因表达或基因调控的更大控制——这是生命最基本的过程。
我们基因组的物质科学
DNA分子的结构像一条长长的双链。在活细胞中，这条长链缠绕在特殊的蛋白质上，形成一种叫做染色质的物质，染色质反过来缠绕在自己身上，形成我们所知的染色体结构。如果把一个人的所有染色体端到端展开，长度约为6.5英尺。人类细胞必须将23对染色体（统称为基因组）放入每个细胞核中，因此需要紧卷绕。
由于DNA既是信息的载体，又是物理分子，细胞需要展开DNA紧密缠绕的部分来复制信息并制造蛋白质。基因组上更容易表达的区域在物理上不那么僵硬，更容易打开。被沉默的区域在物理上更卷曲和紧凑，因此细胞更难打开和读取。就像一本说明书，有些页比其他页更容易打开。
艾米·斯特罗姆、金润基和克里夫·布兰温。斯特罗姆的照片由莫妮卡·卡纳拍摄，金的照片由赖特·塞内雷斯拍摄，布兰温的照片由普林斯顿大学传播办公室拍摄
研究团队，包括博士后学者艾米·R·斯特罗姆和最近毕业的博士生金润基，转向被称为冷凝物的液体团来完成弯曲DNA链并使其移动的工作。
虽然科学上已知的一些细胞成分就像肥皂泡，有一层独特的膜将内部与外部分开，但冷凝物是液体状的液滴，它们更像雨滴一样融合在一起，没有膜将它们聚集在一起。在形成并执行细胞功能后，它们可以分裂并再次分散。
为了更详细地研究染色质，Strom和Kim在Brangwynne实验室之前的研究基础上，利用激光从细胞内的生物分子中提取冷凝物，创造并融合液滴。在这项新工作中，他们利用了一种额外的成分，将冷凝物附着在DNA链上的特定位置，并通过表面张力介导的力（也称为毛细力）快速精确地指导它们的运动，普林斯顿大学的研究人员认为毛细力在活细胞中可能无处不在。以前，像这样移动的DNA依赖于几小时甚至几天内的随机相互作用。
布兰温说：“我们以前还没有能够在如此短的时间内对核组织进行如此精确的控制。”
和CRISPR一样，但又不同
既然他们能够以这种可控的方式移动这些链，他们就可以开始观察在新位置上的基因是否表达不同。这对于进一步了解基因表达的物理机制和材料科学具有潜在的重要意义。
斯特罗姆表示，科学家们通过从外部戳核，并对整个核进行测量来观察核的硬度。科学家还可以观察一个基因，看看它是开启还是关闭。但两者之间的空间还没有被很好地理解。
斯特罗姆说：“我们可以利用这项技术来绘制一幅关于那里发生了什么的地图，更好地了解什么时候事情变得混乱，比如癌症。”
这个新工具旨在帮助研究人员更好地了解基因表达，但它并不是为了编辑DNA。“我们的工具实际上并不像CRISPR那样切割DNA序列，”Kim说。
斯特罗姆表示：“CRISPR对于那些需要切割和改变DNA序列的疾病来说真的很有用。”这项技术可以用于不同类型的疾病，特别是那些与蛋白质失衡有关的疾病，如癌症。
“如果我们能通过重新定位基因来控制表达量，”Strom说，“我们的工具就有了潜在的未来。”
论文“凝聚界面力重新定位DNA位点和探针染色质粘弹性”得到了霍华德休斯医学研究所、普林斯顿生物分子凝聚计划、普林斯顿复杂材料中心、MRSEC (NSF DMR-2011750)、圣裘德无膜细胞器合作组织和空军科学研究办公室大学研究计划多学科研究计划(AFOSR MURI) (FA9550-20-1-0241)的支持。除了Brangwynne、Strom和Kim之外，特约作者还包括埃因霍温理工大学的Cornelis Storm，以及普林斯顿大学的赵洪波、张一彻、Natalia D. Orlovsky和Andrej Košmrlj。
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希望本篇文章《科学家用光操纵DNA，揭示新的基因组研究》能对你有所帮助！
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