基因的开关转换（On-Off switch）在细胞命运决定，个体发育和人类疾病发生中起到关键的作用。本实验室主要从事表观遗传学和染色质生物学的研究。将结合单细胞基因组学，基于CRISPR的DNA和RNA跟踪和编辑技术，以及超高分辨率活细胞显微成像和单分子跟踪等技术来研究基因的时空调节以及细胞的命运决定。最终我们将设计分子机器来调节或修复基因并探索其在疾病治疗中的应用。目前的主要研究方向：1）基因组成像和编辑工具开发；2）表观遗传修饰和3D基因组结构对转录调节的分子机制；3）相分离在基因激活和沉默中的作用。
基因组成像 （Genome Imaging）
CRISPR-Cas9系统能够识别特定的DNA序列，这一特性能够被用于特定的基因组位点或区域的活细胞成像(Chen et al., Cell 2013)。基于这一原理，我们实验室先后开发了一系列的基因组成像技术，比如multicolor CRISPR (Ma et al., PNAS 2015), CRISPR-Broccoli (Ma et al., J Cell Biol 2016), CRISPRainbow (Ma et al., Nat Biotechnol 2016), CRISPR-Sirius (Ma et al., Nat Methods 2018)。
细胞发育分化过程中，基因的时空调节是十分精确的。但是，我们对于在细胞受到刺激后基因如何在抑制性区域（repressive domain）与活性区域（active domain）之间的转化过程仍然了解甚少。基于CRISPR的活细胞DNA、RNA成像技术是研究生理条件或病理条件下基因时空调控的完美工具。我们正在开发高度灵敏的基于CRISPR的非重复序列DNA成像技术，该技术将可以用于示踪基因组中的任何基因或其调控元件（regulatory elements）。我们的成像技术将有助于简析在转录调过程中染色质动力学的变化及其功能。
基因组编辑 (Genome Editing)
细菌用于识别、切割外来DNA的CRISPR-Cas9系统能改造成为基因组编辑工具。但人们对CRISPR-Cas9系统如何在活细胞中精确地定位基因组DNA位点，以及如何在靶位点上精确地修复基因仍了解不多。有研究表明，CRISPR-Cas9系统在活细胞中是向各个方向三维扩散（3D diffusion） (Knight et al., Science 2015)。并且CRISPR系统在基因组中搜索靶标序列的过程非常缓慢，目前主要是通过提高Cas9/gRNA的浓度来加速这一过程(Jones et al., Science 2017)。在我们的研究中，我们发现在没有Cas9蛋白的情况下，CRISPR guide RNA在细胞内非常不稳定。并且CRISPR系统在靶标位点的停留时间决定了其编辑效率(Ma et al., JCB 2016)。
David Liu实验室开发的Prime editing工具是一种具有广泛应用前景的碱基替换、小片段插入或删除工具(Anzalone et al., Nature 2019)。我们发现即使在Cas9存在的情况下，Prime editing所需的pegRNA仍极不稳定。目前我们通过多个手段尝试增加pegRNA在细胞核内的稳定性，优化Cas9/pegRNA复合体的组装，通过提高CRISPR系统对DNA的靶向效率以进一步提高Prime editing的编辑效率和精确性。
表观遗传调控 (Epigenetic Regulation)
表观遗传调控对胚胎发育、细胞命运决定以及人类疾病发生有着至关重要的作用。我们实验室开发的EpiGo系统（Epigenetic perturbation induced Genome organization）能够在引入表观修饰的同时，追踪染色体结构的变化。我们发现EpiGo-KRAB系统介导的H3K9me3修饰的区域会形成类异染色质结构，但这并不会造成细胞内广泛的基因抑制，这和我们传统的观点认为异染色质是用来基因沉默有很大区别，具体机制仍在进一步研究之中 (Feng et al., Genome Biol 2020)。
H3K27me3, H3K4me3, m5C 和 H2Aub等其它的表观修饰在个体发育以及疾病发生过程中也扮演着十分重要的角色，我们正在系统地使用我们的EpiGo系统在活细胞中研究表观遗传，染色质结构和转录调控的相互关系。
相分离研究 (Phase Separation)
细胞核处于一个充满着核内小体（nuclear nanobodies）的拥挤环境 (David Spector, Cell 2006)。这些核内小体主要包含了核蛋白 (nuclear proteins)，调控或新生的RNA（regulatory and nascent RNAs），染色质DNA（chromatin DNA）等。一些研究表明，这些核内小体，或者凝聚物（condensates），能够通过液体-液体相分离（liquid-liquid phase separation）参与转录调控过程 (Strom et al., Nature 2017; Sabari et al., Science 2018; Cho et al., Science 2018)。然而，我们目前仍然无法知道每个转录抑制小体 （repressive nanobodies）或转录激活小体（active nanobodies）的具体组分。并且，核内RNA和染色质DNA在凝聚物形成过程中的作用，以及凝聚物在转录调控中的作用还远未得到充分地认识。
我们将使用超高分辨率的显微成像和单分子追踪技术，同时在活细胞中同时示踪核蛋白、核内RNA以及染色质DNA并研究它们在相分离凝聚体形成过程中的作用与功能。我们的长远目标是描绘出核内凝聚物（condensates）是如何被动态调节，以及他们在转录的时空调控中所扮演的角色。