Nature：利用CRISPR添加反转录子条形码记录基因在DNA中的表达顺序

如果你想跟踪一个人一天的活动，你可以每十分钟给他们打电话，问他们在做什么。不过，更简单的方法是为他们提供一本日记，记录他们自己的行动。科学家们经常依靠一种类似于第一种方法的方法来跟踪细胞如何随时间变化；他们在设定的时间点从一组细胞中挑选出细胞，并对它们的基因活动进行快照。

如今，在一项新的研究中，来自美国格拉德斯通研究所的研究人员开发出一种更像日记或收据簿的工具---它可以一次记录细胞的基因活动数天。这种被命名为Retro-Cascorder的工具在DNA链内记录数据，然后可以在任何时候对其进行分析以获得细胞的活动记录。相关研究结果于2022年7月27日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Recording gene expression order in DNA by CRISPR addition of retron barcodes”。

论文通讯作者、格拉德斯通研究所助理研究员Seth Shipman博士说，“这种收集分子数据的新方法给了我们一个了解细胞的前所未有的窗口。除了为基础研究提供一种新的工具外，它还让我们把细胞设计成活的生物传感器，可以记录其环境的变化。”

一个新的工具箱

虽然生物体内的所有细胞都有相同的基因组，但是它们在任何特定时间开启或关闭哪些基因方面存在差异。科学家们可以测量细胞内的特定基因在不同时间点的开启程度，以跟踪细胞的行为、功能或身份如何随时间变化。

Shipman和他的同事们想设计一个系统来自动记录特定基因的每次启动。这将提供对一个基因活动模式的更详细的观察。Shipman长期以来一直对使用DNA存储数据感兴趣---2017年，他将一部电影编码到活细菌的DNA中，因此DNA是细胞日志的天然媒介。

Shipman说，“DNA是一种灵活的数据存储介质，你真地可以在其中编码任何你想要的东西。它也很容易使用，因为它已经存在于细胞内。”

对于构建Retro-Cascorder的第一步，Shipman团队转向了反转录子（retron），即在激活时产生特定DNA序列的细菌序列。这些作者给感兴趣的基因添加了一个反转录子。每次该基因被激活时，这个反转录子也会产生一个相应的携带该基因特有条形码的DNA序列。

论文第一作者、格拉德斯通研究所前研究助理Santi Bhattarai-Kline说，“这个反转录子就像一张收据，告诉你这个基因刚刚开启了。”

接下来，这些作者希望有一个分子分类账簿，按时间顺序记录这些收据。为此，他们使用了CRISPR阵列，即一个较长的DNA重复序列，细菌通常在CRISPR阵列中复制它们在免疫记忆中所需要的DNA序列---按照它们接收这些信息的顺序。

通过将CRISPR阵列和反转录子整合到相同的细胞中，Shipman团队确保反转录子产生的每一个DNA收据都会插入到CRISPR阵列中。为了检索CRISPR阵列中包含的信息，他们只需对细胞的基因组进行测序，并查看CRISPR阵列中的反转录子序列的顺序。

细胞传感器

为了展示他们新的Retro-Cascorder的实用性，Shipman和他的同事们对大肠杆菌细胞进行基因改造，使其含有已知在某些化学物存在下被激活的基因中的反转录子。他们发现在48小时内，一个CRISPR阵列可以准确地记录这些基因开启的顺序，从而记录他们添加这些化学物的顺序。

图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04994-6。

Bhattarai-Kline说，“这种应用是我们认为我们的系统在短期内最有用的地方。科学家们可以在细胞中放入多个生物传感器，并利用它们监测环境，从池塘或废水设施到人类肠道内部。”

在目前的形式下，Retro-Cascorder只告诉人们基因被开启的顺序，而不是这些事件之间所经过的时间量。然而，CRISPR阵列不断地在细胞内添加自由漂浮的小片段DNA，作为其免疫记忆功能的一部分。如果人们发现它们是以可预测的速度添加的，那么这些DNA片段可以提供一种分子钟，来精确地确定每个反转录子整合的时间，从而确定每个基因激活的时间。

到目前为止，Shipman团队只用该系统一次跟踪几个基因，而不是人们未来可能想要同时监测的几十个基因。但该团队正在积极研究如何扩大Retro-Cascorders，并使该系统适用于细菌以外的细胞类型。

Shipman说，“这还不是一个完美的系统，但我们认为它仍然会比现有的方法更好，因为现有的方法只能让你一次测量一个事件。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Santi Bhattarai-Kline et al. Recording gene expression order in DNA by CRISPR addition of retron barcodes. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04994-6.