力学表观遗传增强CRISPR对目标基因的激活以实现细胞重编程

《Matter》：Mechano-epigenetic enhancement of CRISPR activation of target genes for cell reprogramming

进展与前景

细胞不仅能响应化学信号，还能感知并保留来自机械线索的信息。在此，我们展示了细胞及其细胞核的短暂机械变形可暂时松弛致密染色质，从而增强基因组的可及性。通过将这种机械预活化与基于CRISPR的基因激活相结合，并整合对染色质组织的多组学图谱分析，我们建立了一个框架，用于鉴定对机械刺激具有响应的基因组区域，并理性选择用于可编程基因激活的向导RNA靶位点。利用该策略，我们显著增强了直接神经元重编程效率，并诱导了一种与Oct4相关的可塑性细胞状态，从而进一步促进了细胞状态转化。

除了这些具体应用之外，我们的发现还揭示了一个更广泛的原则：染色质的机械调控可以补充分子基因组工程，以增强对细胞身份的控制。未来的方法不必仅依赖于工程化CRISPR效应器或递送系统，还可以利用染色质组织的机械调控来增强可编程基因调控。本研究生成的表观基因组学资源也为开发预测性计算模型提供了基础，以指导跨细胞类型和应用场景的靶标选择。随着微流控、基因组工程和人工智能日益融合，机械辅助的基因调控有望实现更高效的原代细胞制造、疾病建模和再生医学。更广泛地说，将物理策略与分子策略相结合以控制基因组功能，可能为精准细胞工程和下一代疗法开发开辟新途径。

要点

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机械基因组预活化可暂时增强染色质可及性以促进基因激活

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多组学图谱可支持CRISPRa靶位点的理性选择

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机械预活化可增强CRISPRa驱动的直接神经元重编程

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机械增强型Oct4激活可促进细胞状态转化

摘要

机械线索可以重塑染色质组织，但此类在特定位点发生的变化是否能够被利用来激活基因表达仍不清楚。在此，我们展示了短暂的细胞核变形不仅驱动染色质可及性、DNA甲基化和高级基因组架构的全局性重塑，还可可重复地增强包括Ascl1和Oct4在内的转录因子启动子的可及性。通过将基于CRISPR的转录激活（CRISPRa）与靶向这些机械预活化区域的向导RNA相结合，我们实现了内源性基因的增强激活以及成纤维细胞向神经元重编程效率的提高。此外，基于机械信息的CRISPR激活内源性Oct4可诱导一种短暂的局部重编程状态，进一步提升重编程效果。综合而言，这些发现建立了一种力学-表观遗传学策略来克服染色质屏障，并为改善细胞命运转化提供了通用框架。