综述：三维基因组工程的当前进展及人类疾病治疗机遇

这篇综述系统阐述了CRISPR/Cas系统在哺乳动物三维基因组（3D genome）工程中的突破性应用，聚焦染色质动态构象（A/B区室、TAD、染色质环）与基因表达的调控关系，探讨了通过靶向CTCF/cohesin复合物、表观遗传编辑（如DNMT3A-TET1）等策略干预疾病（如癌症、神经退行性疾病）的潜在治疗路径。

　　

Abstract

动态染色质三维构象是调控发育和疾病中基因表达的核心机制。通过整合染色质构象捕获技术（如Hi-C）、基因组编辑工具（如CRISPR/Cas）和成像技术（如CRISPRainbow），研究者揭示了基因组在细胞核内的层级结构：染色体疆域（CT）、A/B区室（活跃/沉默染色质）、拓扑关联域（TAD）和染色质环。CRISPR系统通过靶向编辑CTCF结合位点（CBS）或诱导人工染色质环（如CLOuD9），为解析3D基因组与转录的因果关系提供了革命性工具。

Introduction

真核基因组在微米级核空间内折叠为复杂的三维结构，其层级包括：染色体疆域（非重叠空间）、A区室（开放染色质，富含活性基因）和B区室（封闭染色质，位于核 periphery）。TAD作为功能单元，其边界富集CTCF和cohesin，内部染色质环通过cohesin介导的挤出形成。近期提出的环挤出模型和液-液相分离（LLPS）理论为3D基因组动态提供了机制解释。

Genome Engineering to Understand the Principles of 3D Genome Organization

染色质可视化与动态追踪

CRISPR成像技术（如dCas9-EGFP、CRISPR-Sirius）实现了活细胞基因组位点的多色标记。CARGO系统通过12个sgRNA质粒追踪增强子-启动子（E-P）互作，而CRISPRdelight利用dCas12a阵列标记非重复序列。杂交技术如CRISPR-LiveFISH整合Cas9/Cas13，同步可视化DNA与RNA。

TAD工程

CTCF的绝缘强度取决于CBS的朝向和数量。删除^Pcdh基因TAD边界的外向CBS会导致异常染色质互作，而插入多个CBS可增强绝缘（如^Sox2位点）。值得注意的是，急性CTCF耗竭虽破坏TAD结构，但仅少数基因表达显著改变，提示TAD与转录存在解耦现象。

染色质环工程

人工环工具（如CRISPR-ZIPPER）通过dCas9-亮氨酸拉链诱导E-P环化，使报告基因表达提升3倍。化学诱导系统CLOuD9利用ABA受体，可逆调控β-珠蛋白基因座与控制区的接触频率。光控工具LADL通过CIBN-CRY2异源二聚化，在4小时内实现长程环重构。

3D Genome Modulation as Disease Modeling Tools and Potential Therapies

A/B区室转换

前列腺癌细胞中，^AR基因从B区室转至A区室导致激活。CRISPR-ECHO通过ABA诱导HP1α聚集，模拟异染色质致密化，为癌症表观遗传失调提供模型。

TAD异常矫正

T-ALL中^MYC基因的TAD融合使其与远端超级增强子接触，驱动致癌表达。通过dCas9-CTCF靶向修复CTCF缺失边界，可部分恢复正常拓扑结构。

DNA甲基化干预

^IDH突变胶质瘤中CBS超甲基化导致CTCF结合丧失，去甲基化药物可逆转^PDGFRA异常激活。靶向表观编辑工具（如dCas9-DNMT3A）在FXS iPSC中成功去甲基化^FMR1基因。

Summary and Prospects

未来需开发多向互作操控工具，结合单细胞多组学（scHi-C）和AI模型（如DeepLoop），揭示3D基因组动态调控的普适规律。精准编辑TAD边界或染色质环，将为癌症、遗传病提供新型疗法。