來自Baylor醫學院、萊斯大學、斯坦福大學、麻省理工學院-哈佛大學Broad研究所的一個多機構研究小組報道了第一個成功的基因組手術，其改變了基因在細胞核內的折疊。這一進展有可能促成一些新方法來認識和攻克遺傳疾病。

去年，Baylor醫學院基因組結構中心的研究人員證實，當兩米長的人類基因組在細胞核中折疊起來時，它形成了大約1萬個環。這些環開啟和關閉了一些基因，控制了長基因組片段的包裝。這一折疊過程失常可導致疾病。研究小組還發現存在于幾乎所有環兩端的DNA“基序”（motif）：一段不到20個堿基的DNA鏈導致了DNA結合CTCF蛋白。這些基序常常存在于過去被認為是“垃圾”DNA的區域。

現在，在一項對遺傳研究具有深遠影響的研究中，Erez Lieberman Aiden領導的一個研究小組證實，通過操控這些基序，有可能可以在基因組中破壞、移動和構建出新的環。這項研究工作是由Aiden實驗室的研究生、共同第一作者Adrian Sanborn所領導。相關論文發表在本周的《美國科學院院刊》（PNAS）上。

Aiden說：“我們可以利用我們對自然成環機制的認識，人為地操控基因組環。這意味著至少在原則上有可能通過改造一些遺傳堿基來修復基因組折疊錯誤，且不會破壞周圍的DNA。”

就像木偶上的細繩，環常常將一些基因與控制它們的DNA元件聯系起來——在基因組被視作為是一維堿基鏈時，這些元件的定位距離遙遠。為了在不破壞周圍序列的情況下改變這些構建出環的基序，研究小組利用了基于CRISPR/Cas9的基因組編輯，使得能夠以一種非常靶向性的方式來改變基因組序列。如果研究小組對于基序在構建環中的作用認識是正確的，結果將不僅影響基因組的序列：它們還會改變折疊。

Rao說：“利用CRISPR使得我們能夠利用一種‘分子剪’來添加或除去小部分的遺傳堿基。通過確切了解我們需要靶向的堿基，我們發現有可能可以一種高度可預測的方式來改變基因組的折疊。”新研究還闡明了在基因組內環的形成機制，這些結果是令人驚訝。數十年來，科學家們都認為當在細胞核中擺動的一些基因組片段撞到彼此時會形成環。但作者們發現細胞是通過一個稱作為擠壓（extrusion）的不同過程形成了環。隨著擠壓過程一直持續下去，會形成越來越大的環。關鍵在于當它遇到CTCF位點時這一擠壓過程會停止，就是是改變這些基序是控制整個過程關鍵的原因。

在每個實驗中，研究人員改造了某些CTCF位點，由此改變了CTCF的結合模式。在他們認識到擠壓驅動了基因組折疊過程后，研究小組發現了解CTCF與DNA的結合位點就足以預測出整個基因組區域將怎樣折疊。改變CTCF位點使得破壞、移動及構建出新環變為可能。還有可能以可預測的方式來改變其他一些稱作為結構域的折疊特征。在十多種情況下，該研究小組結合數學和高性能計算預先預測了基因組的折疊情況。在每種情況下，基因組折疊均與研究小組的預測一致。在一種情況下，添加單個堿基對就改變基因組數百萬堿基折疊。

這些研究結果是朝著了解基因組折疊機制邁出的重要一步。“CTCF位點的功能就像基因組折疊的一個密碼。現在我們開始破解了這一密碼，我們可以認識和控制這一折疊過程，”共同通訊作者、Broad研究所所長Eric Lander博士說。