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Nature:利用CRISPR/Cas系统开发出一种存储转录事件的细胞记录设备

来源:本站原创 2018-10-05 12:13

2018年10月5日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,来自瑞士苏黎世联邦理工学院和巴塞尔大学的研究人员利用CRISPR-Cas系统开发出一种新的记录设备:它产生的DNA片段能够提供关于某些细胞过程的信息。在未来,这种细胞存储设备甚至可能用于诊断中。相关研究结果于2018年10月3日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Transcriptional recording by CRISPR spacer acquisition from RNA”。

诸如病毒感染以及暴露于环境毒素或遭受其他形式的应激等事件会改变基因的活性,从而在细胞内留下分子痕迹。这些变化主要发生在信使RNA(mRNA)水平上。mRNA是当基因被激活和读取时产生的编码遗传信息的分子,这一过程称为转录。科学家们能够通过测量细胞中存在的mRNA分子来准确地研究基因的活性。然而,基因转录的痕迹快速地消失---mRNA是高度不稳定的,而且细胞经常在短时间后降解它。

将通过逆转录产生的DNA作为一种记录系统

苏黎世联邦理工学院研究员Randall Platt及其同事们如今开发出一种可将转录事件写入DNA中的分子记录系统,可将转录事件写入DNA,在那里它们能够被永久性地存储,然后通过测序就可访问到。
图片来自Schmidt et al., 2018/ ETH Zurich。

为了构建他们的“记录设备”,Platt的博士生Florian Schmidt和Mariia Cherepkova采用了CRISPR-Cas系统。CRISPR-Cas是细菌和古生菌中的一种适应性免疫系统。CRISPR-Cas系统通过记录感染细胞的病原体的遗传信息而起着类似于免疫存储设备的作用。这种遗传信息被记录在称为CRISPR阵列的特定DNA片段中,这是一种称为获取的过程。

CRISPR阵列能够存储源自病原体的称为“间隔序列(spacer)”的短片段DNA序列。这些间隔序列彼此之间通过相同的称为同向重复序列(direct repeat)的短片段DNA序列分隔开来,就像一串珍珠一样。

这些研究人员利用肠道细菌大肠杆菌开展研究,将来自一种不同的细菌物种的编码CRISPR-Cas系统的基因导入到大肠杆菌中。其中的一个Cas基因与一种逆转录酶融合在一起,其中逆转录酶是利用mRNA分子产生编码相同信息的DNA ---换句话说,它将mRNA逆转录为DNA。

导入这些编码CRISPR-Cas的外源基因的大肠杆菌细胞能够产生一种结合短mRNA分子的蛋白复合物。这种逆转录酶将mRNA翻译为含有与初始的mRNA相同的遗传信息的DNA,然后将它们作为间隔序列存储在CRISPR阵列中。这种过程能够多次发生,从而使得新的间隔序列以相反的时间顺序添加到CRISPR阵列,因此最近获得的DNA片段总是位于最前面。

原则上,这使得在CRISPR阵列内记录任何数量的间隔序列成为可能。鉴于DNA是高度稳定的,记录的信息能够长期保存而且也可从一代细菌传递到下一代细菌

Schmidt说,“我们的系统是一种生物数据记录器。它记录了细菌对外部影响作出的遗传反应,从而让我们能够获取这些信息,即使经过许多代细菌之后,也是如此。”

Platt教授说,“研究人员长期致力于构建合成细胞记忆的形式,但是我们是首次开发能够记录随着时间的推移细胞中每个基因表达信息的细胞存储设备。”

访问整个记录日志

到目前为止,科学家们仅限于在一次快照中测量mRNA。拍摄这些快照通常意味着破坏细胞,提取它的mRNA,然后进行定量检测。相比之下,这种新的CRISPR-Cas RNA记录系统记录了细胞的历史,从而使得研究人员能够访问整个细胞记录日志,而不仅仅是一个时间点。

作为他们研究的一部分,这些研究人员记录了配备有这种数据记录器的大肠杆菌对除草剂百草枯作出的反应。这种除草剂引起细胞内mRNA转录发生变化,这样他们就能够在接触除草剂几天后从CRISPR阵列中读出这种反应。如果没有这种数据记录器,大肠杆菌与这种除草剂接触的任何分子痕迹早就会被破坏,这种信息也就丢失了。

这种生物数据记录器还可能用于诊断或作为传感器来测量环境有毒素,比如除草剂。这项新的研究证实了这种方法的可行性,尽管离实际应用还有很长的路要走。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Florian Schmidt, Mariia Y. Cherepkova & Randall J. Platt. Transcriptional recording by CRISPR spacer acquisition from RNA. Nature, Published Online: 03 October 2018, doi:10.1038/s41586-018-0569-1.

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