Science：陈飞等团队开创细胞记忆新维度：基因编码系统TimeVault实现活细胞内转录组的长期稳定存储与回溯

理解细胞如何随着时间的推移做出决定，需要将过去的分子状态与未来的表型结果联系起来的能力。

2026年1月16日，哈佛大学陈飞团队在Science 在线发表题为“A genetically encoded device for transcriptome storage in mammalian cells”的研究论文，该研究提出TimeVault，一个基因编码系统，记录和存储转录组在活的哺乳动物细胞为未来读取。

TimeVault利用工程vault颗粒，通过聚(A)结合蛋白捕获mRNA。该研究证明，TimeVault储存的转录组在活细胞中稳定超过7天。TimeVault能够以最小的细胞扰动进行高保真转录组全范围记录，捕捉瞬时应激反应，揭示逃避EGFR抑制的肺癌细胞中药物初始持续状态下的基因表达变化。通过连接过去和现在的细胞状态，TimeVault提供了一个强大的工具来解码细胞如何应对应激、做出命运决定和抵抗治疗。

生物学本质上是动态的：分子事件的顺序对于理解细胞如何做出决定、适应环境以及在状态之间转换至关重要。测量细胞的生活史——包括它们在一段时间内经历的分子事件——可以提供对发育过程、疾病进展以及短暂的分子线索如何影响长期细胞行为的关键见解。然而，大多数生物过程的分子测量在保存这些动力学的能力方面仍然有限。RNA测序（RNA-seq）等方法具有破坏性，只能提供采样时细胞状态的静态快照。实时成像虽然能够实时观察生物过程，但通常需要连续的光学访问，并且仅限于跟踪有限数量的分子或报告结构。

这些限制促使开发工具来推断或记录转录动态。RNA速度等计算方法通过分析剪接中间体来估计基因表达变化的方向和速度，但依赖于统计推断而不是直接测量。基于CRISPR技术的合成记忆系统，包括Cas1-Cas2整合酶、基因组编辑回路和更先进的系统，如碱基编辑（BE）和先导编辑（PE），试图将分子动力学编码到基因组中。

虽然Cas9引导的BE和PE回路在哺乳动物细胞中起作用，但它们的可扩展性受到独特的、可诱导的引导RNA和可靶向DNA序列数量有限的限制。这些因素阻碍了多路复用和从记录的信号重建精细转录轨迹的能力。使用核苷类似物如4-硫脲（4sU）对新生RNA进行代谢标记，可以短期跟踪新转录的RNA，但标记的RNA降解速度很快，并且根据RNA的半衰期而变化。最后，连续的RNA输出系统可以从活细胞中进行非破坏性的转录组采样，但由于输出的转录本与原始细胞分离，因此失去了空间和谱系背景。

TimeVault系统的概述和特点（图源自Science ）

现在仍然缺少的是一个系统，它可以在同一细胞谱系中随时间保持转录组的公正记录。理想情况下，这样的系统可以将过去的转录状态以一种可以在子细胞中恢复的格式存储在细胞内，并与未来的细胞命运相关联。这将使研究人员能够不偏不倚地发现预测长期结果的分子特征，而无需事先知道要追踪哪些基因。

为了解决这一差距，研究人员开发了TimeVault，这是一种用于在活哺乳动物细胞中存储时间分辨转录组的合成设备。TimeVault利用vault颗粒，一种大型内源性细胞质核糖核蛋白复合物，作为封装聚腺苷化mRNA的底盘。TimeVault可以通过它们的聚(A)尾部选择性捕获细胞质转录本。TimeVault的诱导表达允许转录组快照在定义的时间窗口内存储在细胞内。这些被封装的RNA是稳定的，保留谱系的，并且可以在以后检索以重建历史转录状态。

该研究证明TimeVault能够实现高稳定性和保真度的全转录组保存。该研究验证了它在记录应激反应、保存代谢标记转录本和揭示罕见耐药癌症持续亚群中药物初始分子状态方面的效用。通过实现转录组的时间特异性和谱系保留存储，TimeVault为研究复杂和异质生物系统中时间分辨基因表达动力学提供了强大的工具。

参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz9353