Science：重磅！史上首次利用CRISPR-Cas9讓人細胞變身為記憶存儲系統(tǒng)

2016年08月21日訊 在一項新的研究中，來自美國麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員設(shè)計出一種方法在人細胞的DNA中記錄復(fù)雜的歷史事件，從而允許他們通過對這種DNA進行測序從中找回過去事件的“記憶”。相關(guān)研究結(jié)果于2016年8月18日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“Continuous genetic recording with self-targeting CRISPR-Cas in human cells”。論文通信作者為MIT電學(xué)工程與計算機科學(xué)副教授和生物工程副教授Timothy Lu。論文第一作者為Samuel Perli博士和研究生Cheryl Cui。

這種模擬記憶儲存系統(tǒng)---首先能夠在人細胞中記錄事件的持續(xù)時間和/或強度---可能也能夠允許科學(xué)家們研究干細胞在胚胎發(fā)育期間如何產(chǎn)生多種組織，細胞如何對環(huán)境條件作出反應(yīng)以及它們?nèi)绾伟l(fā)生導(dǎo)致疾病產(chǎn)生的基因變化。

Lu說，“為了能夠更加深入地理解生物學(xué)，我們對人細胞進行基因改造，使得它們能夠基于基因編碼的記錄器報道它們自己的歷史事件?！彼a充道，這種技術(shù)應(yīng)當(dāng)允許深入認識基因調(diào)節(jié)和細胞內(nèi)發(fā)生的其他事件如何導(dǎo)致疾病產(chǎn)生和發(fā)育。

模擬存儲器

包括Lu在內(nèi)的很多科學(xué)家已開發(fā)出多種方法在活細胞中記錄數(shù)字信息。他們利用重組酶對細胞進行編程，使得它們在一種特定的事件發(fā)生---如接觸一種特定的化學(xué)物---時翻轉(zhuǎn)它們的DNA片段。然而，這些方法僅揭示出這種事件是否發(fā)生，而不能揭示出接觸多少數(shù)量的化學(xué)物或者這種接觸持續(xù)多長時間。

Lu和其他的科學(xué)家之前設(shè)計出方法在細菌中記錄模擬信息，但是迄今為止，還沒有人在人細胞中做到這一點。

在當(dāng)前的這項研究中，由MIT開發(fā)出的這種新方法是基于基因組編輯系統(tǒng)CRISPR-Cas9實現(xiàn)的，其中這種系統(tǒng)是由一種DNA切割酶Cas9和一種引導(dǎo)這種酶結(jié)合到基因組特定位點上并指導(dǎo)它在這個位點進行切割的短鏈RNA---也被稱作向?qū)NA（gRNA）---組成的。

CRISPR-Cas9被廣泛地用于基因編輯，但是Lu團隊決定對它進行改編用于記憶儲存。在最初進化出CRISPR-Cas9的細菌中，這種基因組編輯系統(tǒng)記錄過去的病毒感染，這樣細菌細胞就能夠識別和抵抗再次入侵的病毒。

Perli說，“我們對這種CRISPR-Cas9系統(tǒng)進行改編以便在人基因組中儲存信息?！?/p>

當(dāng)利用CRISPR-Cas9對基因進行編輯時，研究人員構(gòu)建出能夠匹配宿主基因組中靶序列的gRNA。為了進行記憶編碼，他們采取一種不同的方法：他們設(shè)計出識別編碼這種gRNA的DNA序列的gRNA，從而產(chǎn)生他們稱之為“自我靶向的gRNA（self-targeting guide RNA）”。

在這種自我靶向的gRNA的引導(dǎo)下，Cas9切割編碼這種gRNA的DNA序列，產(chǎn)生一種永久性記錄事件發(fā)生的突變。這種DNA序列一旦發(fā)生突變就會產(chǎn)生新的gRNA來引導(dǎo)Cas9靶向這種新近發(fā)生突變的DNA序列，而且只要Cas9是有活性的或者這種自我靶向的RNA仍然表達，就允許突變進一步發(fā)生和積累。

通過細胞內(nèi)的感應(yīng)器檢測特定生物事件發(fā)生來調(diào)節(jié)Cas9或自我靶向的gRNA的活性，這種系統(tǒng)就能夠允許累進性突變作為這些生物事件的函數(shù)積累下來，因而提供基因組編碼記憶。

比如，研究人員對一種基因回路進行改造，使得它僅當(dāng)靶分子--如炎癥期間免疫細胞產(chǎn)生的TNF-α---存在時表達Cas9。每當(dāng)TNF-α存在時，Cas9切割這種編碼gRNA的DNA序列，產(chǎn)生突變。接觸TNF-α的時間越長或者TNF-α濃度越大，這種DNA序列就會積累越多的突變。隨后通過對這種DNA序列進行測序，研究人員能夠確定接觸多少數(shù)量的TNF-α。

Perli說，“這就是我們一直在尋找的模擬行為：當(dāng)增加TNF-α的接觸時間或數(shù)量時，就能夠增加突變發(fā)生的數(shù)量。”

Cui說，“再者，我們想要在活的動物體內(nèi)測試我們的系統(tǒng)。能夠在小鼠的活細胞中記錄和提取信息能夠有助解答有意義的生物學(xué)問題。”研究人員證實這種系統(tǒng)能夠記錄小鼠體內(nèi)的炎癥。

大多數(shù)突變導(dǎo)致這種DNA序列發(fā)生部分缺失，因此研究人員讓他們設(shè)計的gRNA長度比通常的20nt（20核苷酸）要長，因此它們不會變得太短而不能發(fā)揮功能。長40nt的DNA序列比人細胞記錄一個月發(fā)生的事件所需的足夠長的DNA序列還要長，而且研究人員還設(shè)計出長70nt的DNA序列，它們能夠被用來記錄更長時間發(fā)生的生物學(xué)信號。

追蹤發(fā)育和疾病

研究人員也證實他們能夠通過導(dǎo)入多種自我靶向的gRNA對人細胞進行基因改造，使得它們同時檢測和記錄至少兩種生物學(xué)事件。每種gRNA與一種特定的事件相關(guān)聯(lián)，而且僅當(dāng)這種事件發(fā)生時才產(chǎn)生。在這項研究中，研究人員證實他們能夠記錄抗生素強力霉素和一種被稱作IPTG的分子的存在。

研究人員說，這種方法當(dāng)前最有可能被用來研究人細胞、組織或工程器官。通過對人細胞進行編程使得它們記錄多種事件，科學(xué)家們能夠利用這種系統(tǒng)監(jiān)控炎癥或感染，或者監(jiān)控癌癥進展。它也可能被用來追蹤干細胞在動物從胚胎發(fā)育到成年時如何產(chǎn)生不同的組織。

Perli說，“利用這種技術(shù)，你能夠擁有不同的存儲寄存器來記錄細胞接觸到的不同信號，而且你能夠觀察到這種細胞接收到的每種信號的持續(xù)時間或強度。這樣你能夠更加接近一步理解在發(fā)育中發(fā)生什么?！?/p>

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