發(fā)布日期：2018-02-28
圖：基于CRISPR的記錄儀可以清晰記錄細(xì)胞事件 來源Russell Kightley/Science
飛機(jī)的飛行記錄儀和照相機(jī)可以幫助調(diào)查人員理解復(fù)雜的事件，尋找真相。在科學(xué)研究領(lǐng)域，細(xì)胞生物學(xué)家也在試圖建立他們自己的數(shù)據(jù)記錄儀器，例如通過將目的基因與熒光蛋白基因聯(lián)系起來，我們就可以了解闡明諸如癌癥出現(xiàn)、衰老、環(huán)境影響和胚胎發(fā)育等過程。具有革命性基因編輯工具CRISPR的出現(xiàn)，為新型細(xì)胞記錄儀提供了更好的記錄手段，新型細(xì)胞記錄儀借助CRISPR可以捕獲DNA數(shù)據(jù)。
David Liu
近日，Science在線發(fā)表了一項(xiàng)CRISPR新研究成果，哈佛大學(xué)化學(xué)家David Liu和Weixin Tang博士展示了兩種CRISPR介導(dǎo)的模擬多事件記錄儀——CAMERA系統(tǒng)。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用該系統(tǒng)成功記錄了細(xì)菌和人類細(xì)胞對(duì)光照、抗生素、病毒感染等多種刺激的反應(yīng)以及Wnt信號(hào)變化。
研究人員提出了兩種CRISPR介導(dǎo)的模擬多事件記錄裝置（CAMERA）系統(tǒng)，利用堿基編輯器和Cas9核酸酶記錄細(xì)菌和哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的細(xì)胞事件。前者能特異性的識(shí)別DNA序列，而后者負(fù)責(zé)剪切識(shí)別位點(diǎn)。該系統(tǒng)使用CAMERA 1記錄信號(hào)振幅或持續(xù)時(shí)間顯示互斥DNA序列的比率變化，CAMERA 2則通過記錄信號(hào)振幅或持續(xù)時(shí)間展示單堿基修飾變化。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，給予刺激的順序可以通過重疊的指導(dǎo)RNA設(shè)計(jì)進(jìn)行記錄，并且記錄可以在多個(gè)循環(huán)中被擦除和重新錄入。此外，當(dāng)記錄多拷貝質(zhì)粒信息時(shí)，只需要10-100個(gè)細(xì)胞就可以得到可靠的數(shù)據(jù)。
加州大學(xué)伯克利分校的蛋白質(zhì)工程師Dave Savage表示，這項(xiàng)研究的創(chuàng)新之處在于利用CRISPR發(fā)現(xiàn)細(xì)胞分子途徑，是一種非常有創(chuàng)造性的方法。
眾所周知，CRISPR的初始作用為定位并切割雙螺旋DNA，廣泛用于基因敲除與基因編輯。但是在CRISPR切割的過程中，它們可以向目標(biāo)基因引入隨機(jī)錯(cuò)誤，使其失效。有幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將這些隨機(jī)誤差當(dāng)作標(biāo)記（或條形碼），來跟蹤細(xì)胞如何從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)。而“CAMERA”的機(jī)制則是利用外來信號(hào)對(duì)CRISPR系統(tǒng)的刺激作用，記錄這種作用引起的遺傳信息改變，通過記錄遺傳變化就能夠了解細(xì)胞受到的刺激。
David Liu表示，為尋求更清晰的信息記錄，CAMERA不僅要記錄一個(gè)細(xì)胞是否經(jīng)歷過刺激，而且還記錄刺激強(qiáng)度以及持續(xù)時(shí)間，我們希望能夠看到某些細(xì)胞是執(zhí)行還是忽略某些信號(hào)來停止生長(zhǎng)，這有助于更好地了解癌癥的發(fā)生。
CAMERA的第一種形式利用了質(zhì)粒自我復(fù)制但嚴(yán)格保持一定的種群數(shù)目的特性。該形式包含了兩種質(zhì)粒R1和R2，兩者初始比例是穩(wěn)定的。記錄儀還含有一種特殊的質(zhì)粒，該質(zhì)粒被引入了含有 CRISPR 組分的基因，當(dāng)細(xì)胞受到外來刺激時(shí)，能激活該質(zhì)粒，并在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄或翻譯出向?qū)NA和Cas9 酶，作用于R1質(zhì)粒，使其數(shù)目發(fā)生變化。例如，在研究者們進(jìn)行的一項(xiàng)測(cè)試中，當(dāng)他們把一抗生素激活的CAMERA系統(tǒng)裝于細(xì)菌中，通過測(cè)序細(xì)菌并記錄 R1:R2 的變化，研究者們便能夠知道細(xì)胞暴露于藥物的時(shí)長(zhǎng)。
CAMERA的第二種形式則使用了修飾過的 Cas9 酶，該酶不能切割雙鏈DNA，但卻能作用于胞嘧啶使其轉(zhuǎn)化為胸腺嘧啶。當(dāng)CRISPR系統(tǒng)被激活時(shí)，向?qū)NA 把Cas9酶定位至“安全港”的基因，這類基因能夠被任意改變而不損害細(xì)胞。研究者們能通過觀察“安全港”基因胞嘧啶的改變情況，間接記錄信號(hào)作用的強(qiáng)度。例如，在另一項(xiàng)測(cè)試中，研究者們通過激活 Wnt 通路（該通路在胚胎發(fā)育和癌癥發(fā)生中發(fā)揮著重要的作用），使 CAMERA 開啟，以記錄刺激信號(hào)對(duì)Wnt通路的作用。
事實(shí)上，David Liu并不是第一個(gè)利用CRISPR創(chuàng)建記錄儀的研究者，在此之前，已有部分科學(xué)家進(jìn)行了相關(guān)研究，其中包括劍橋麻省理工學(xué)院的Timothy Lu。但Lu指出，他研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)mSCRIBE作為模擬記錄裝置，可記錄生物事件的持續(xù)時(shí)間或幅度信息，但這僅限于細(xì)菌，與CAMERA相比，它還需要“一個(gè)數(shù)量級(jí)”的更多的細(xì)胞才能獲取、記錄可靠地信號(hào)，并且信噪比較差。 而CAMERA 能夠利用僅包含10個(gè)細(xì)胞的樣本工作，其意義至關(guān)重大。因?yàn)樗杓?xì)胞越少，代表著測(cè)量精確度也越高。他表示，David Liu的這項(xiàng)新研究“非常美麗”，并且效率和精度水平超出了我們以前的水平。
哈佛大學(xué)遺傳學(xué)家 George Church指出，如果想要繪制一幅大腦活動(dòng)圖，每一個(gè)細(xì)胞都不同且至關(guān)重要。同時(shí)，CAMERA的另一個(gè)重要意義在于，它能夠記錄信號(hào)作用的時(shí)間與強(qiáng)度。以癌癥為例，這能幫助我們觀測(cè)癌細(xì)胞在不同階段對(duì)不同信號(hào)的響應(yīng)情況，以闡明其增殖機(jī)理。Church 表示：“理想情況是有一個(gè)單分子自動(dòng)記錄儀，能記錄可讀的DNA序列，并告訴我們?cè)诿慷螘r(shí)間內(nèi)每個(gè)細(xì)胞在發(fā)生著什么。”
此外，CAMERA 還有其他潛在的功能，例如清除已記錄的信息、通過藥物“重置”質(zhì)粒比等。CAMERA 還可以同時(shí)或先后記錄幾個(gè)不同的信號(hào)對(duì)細(xì)胞的作用。但是 CAMERA想要 證明自己的價(jià)值，研究人員必須要證明它能夠在動(dòng)物體內(nèi)也發(fā)揮作用，而不只是在體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中。
參考文獻(xiàn)：
Genome editor CRISPR’s latest trick? Offering a sharper snapshot of activity inside the cell
來源：測(cè)序中國(guó)
