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

佚名 2024-06-06 20:37:16

2016年08月21日訊 在一項(xiàng)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(jì)出一種方法在人細(xì)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(jìn)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(jì)算機(jī)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(chǔ)存系統(tǒng)---首先能夠在人細(xì)胞中記錄事件的持續(xù)時(shí)間和/或強(qiáng)度---可能也能夠允許科學(xué)家們研究干細(xì)胞在胚胎發(fā)育期間如何產(chǎn)生多種組織,細(xì)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(xì)胞進(jìn)行基因改造
,使得它們能夠基于基因編碼的記錄器報(bào)道它們自己的歷史事件
。”他補(bǔ)充道
,這種技術(shù)應(yīng)當(dāng)允許深入認(rèn)識(shí)基因調(diào)節(jié)和細(xì)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

!史上首次利用CRISPR-Cas9讓人細(xì)胞變身為記憶存儲(chǔ)系統(tǒng).png" />

模擬存儲(chǔ)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(xì)胞中記錄數(shù)字信息

。他們利用重組酶對細(xì)胞進(jìn)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(shí)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(shí)間

Lu和其他的科學(xué)家之前設(shè)計(jì)出方法在細(xì)菌中記錄模擬信息

,但是迄今為止
,還沒有人在人細(xì)胞中做到這一點(diǎn)。

在當(dāng)前的這項(xiàng)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(shí)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(diǎn)上并指導(dǎo)它在這個(gè)位點(diǎn)進(jìn)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(tuán)隊(duì)決定對它進(jìn)行改編用于記憶儲(chǔ)存
。在最初進(jìn)化出CRISPR-Cas9的細(xì)菌中,這種基因組編輯系統(tǒng)記錄過去的病毒感染
,這樣細(xì)菌細(xì)胞就能夠識(shí)別和抵抗再次入侵的病毒

Perli說,“我們對這種CRISPR-Cas9系統(tǒng)進(jìn)行改編以便在人基因組中儲(chǔ)存信息

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當(dāng)利用CRISPR-Cas9對基因進(jìn)行編輯時(shí),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(jìn)行記憶編碼
,他們采取一種不同的方法:他們設(shè)計(jì)出識(shí)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(huì)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(dá)
,就允許突變進(jìn)一步發(fā)生和積累。

通過細(xì)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(jìn)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(jìn)行改造
,使得它僅當(dāng)靶分子--如炎癥期間免疫細(xì)胞產(chǎn)生的TNF-α---存在時(shí)表達(dá)Cas9。每當(dāng)TNF-α存在時(shí)
,Cas9切割這種編碼gRNA的DNA序列
,產(chǎn)生突變。接觸TNF-α的時(shí)間越長或者TNF-α濃度越大
,這種DNA序列就會(huì)積累越多的突變
。隨后通過對這種DNA序列進(jìn)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(shí)間或數(shù)量時(shí),就能夠增加突變發(fā)生的數(shù)量
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Cui說,“再者

,我們想要在活的動(dòng)物體內(nèi)測試我們的系統(tǒng)
。能夠在小鼠的活細(xì)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?div id="d48novz" class="flower left">
!毖芯咳藛T證實(shí)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(jì)的gRNA長度比通常的20nt(20核苷酸)要長

,因此它們不會(huì)變得太短而不能發(fā)揮功能
。長40nt的DNA序列比人細(xì)胞記錄一個(gè)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(jì)出長70nt的DNA序列
,它們能夠被用來記錄更長時(shí)間發(fā)生的生物學(xué)信號(hào)

追蹤發(fā)育和疾病

研究人員也證實(shí)他們能夠通過導(dǎo)入多種自我靶向的gRNA對人細(xì)胞進(jìn)行基因改造,使得它們同時(shí)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(shí)才產(chǎn)生。在這項(xiàng)研究中,研究人員證實(shí)他們能夠記錄抗生素強(qiáng)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(xì)胞、組織或工程器官
。通過對人細(xì)胞進(jìn)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(jìn)展
。它也可能被用來追蹤干細(xì)胞在動(dòng)物從胚胎發(fā)育到成年時(shí)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(chǔ)寄存器來記錄細(xì)胞接觸到的不同信號(hào)
,而且你能夠觀察到這種細(xì)胞接收到的每種信號(hào)的持續(xù)時(shí)間或強(qiáng)度。這樣你能夠更加接近一步理解在發(fā)育中發(fā)生什么
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