不同的“事件”，如病毒感染和暴露于環(huán)境毒素或其他形式的壓力，會改變基因的活性，從而在細胞中留下分子痕跡。這些變化主要發(fā)生在信使核糖核酸(mRNA)水平。當基因被激活和閱讀時，這些分子編碼遺傳信息。這個過程叫做轉(zhuǎn)錄。研究人員可以通過測量細胞中的mRNA分子來準確研究基因活性。但基因轉(zhuǎn)錄的痕跡很快消失：mRNA高度不穩(wěn)定，細胞往往在短時間內(nèi)降解。
圓形脫氧核糖核酸作為記錄系統(tǒng)
研究人員ETH Randall Platt和他在生物系統(tǒng)科學與工程系的同事現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了一種分子記錄系統(tǒng)，可以將轉(zhuǎn)錄事件寫入DNA，在DNA中可以永久存儲，然后通過測序進行訪問。
為了創(chuàng)造他們的“錄音設(shè)備”，普拉特的博士生弗羅里安施密特和瑪麗婭切雷普科娃采用了CRISPR-Cas系統(tǒng)。CRIPSR-Cas是細菌和古細菌的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過記錄感染細胞的病原體的遺傳信息，起到免疫記憶裝置的作用。這些遺傳信息被記錄在一個叫做CRISPR陣列的特定DNA片段中——這個過程被稱為獲取。
遺傳信息就像一串珍珠。
CRISPR陣列可以存儲來自病原體的稱為“間隔物”的短DNA序列。間隔子由短的相同的DNA序列分開，稱為直接重復，就像琴弦上的珍珠一樣。
研究人員利用腸道細菌大腸桿菌從不同的細菌物種中導入CRISPR-Cas系統(tǒng)的基因。其中一個Cas基因與逆轉(zhuǎn)錄酶融合，逆轉(zhuǎn)錄酶是一種利用核糖核酸分子產(chǎn)生編碼相同信息的脫氧核糖核酸的酶，換句話說，它將核糖核酸轉(zhuǎn)錄回脫氧核糖核酸。
提供CRISPR-Cas外源基因的大腸桿菌細胞可以產(chǎn)生結(jié)合短mRNA分子的蛋白質(zhì)復合物。逆轉(zhuǎn)錄酶將這些RNA間隔區(qū)翻譯成DNA，包含與原始RNA相同的信息，然后存儲在CRISPR陣列中。這個過程可以發(fā)生很多次，因此新的間隔物以相反的時間順序添加到CRISPR陣列中，因此最近獲得的DNA片段總是第一個。
原則上，這使得在CRISPR陣列中記錄任意數(shù)量的間隔物成為可能。因為DNA非常穩(wěn)定，記錄在里面的信息可以長期保存，也可以從一代細菌傳到下一代細菌。
“我們的系統(tǒng)是一個生物數(shù)據(jù)記錄器。它記錄了細菌對外界影響的遺傳反應(yīng)，因此即使在許多細菌產(chǎn)生后，我們也可以獲得這一信息，”該研究的第一作者弗羅里安施密特說，他最近發(fā)表在該雜志上。自然。
ETH Randall Platt教授說：“長期以來，研究人員一直在努力創(chuàng)造合成細胞記憶的形式，但我們是第一個開發(fā)出可以記錄細胞中每個基因表達的信息的人。”研究人員花了兩年多的時間研究這個系統(tǒng)。
訪問整個日志
到目前為止，研究人員只在一張快照中測量了mRNA。拍攝這些快照通常意味著破壞細胞，提取它們的mRNA，然后量化它們。相比之下，新的CRISPR-Cas RNA記錄系統(tǒng)記錄了細胞的歷史，這使得研究人員能夠有效地訪問整個細胞日志，而不僅僅是一個時間點。
作為研究的一部分，ETH研究人員記錄了配備有數(shù)據(jù)記錄器的大腸桿菌對除草劑百草枯的反應(yīng)。這種物質(zhì)會引起細胞內(nèi)mRNA轉(zhuǎn)錄的變化，科學家甚至可以在除草劑暴露幾天后從CRISPR陣列中讀取這種反應(yīng)。如果沒有數(shù)據(jù)記錄器，細菌接觸除草劑的任何分子痕跡都會被破壞，信息也會丟失。
除了研究目的，這種生物數(shù)據(jù)記錄器還可以用作測量環(huán)境毒素(如除草劑)或診斷的傳感器。本研究有趣地證明了這種方法的可行性，但在實際應(yīng)用中還有很長的路要走。蘭德爾普拉特在巴塞爾的研究團隊一直試圖將該系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到其他細胞類型，為其作為診斷工具的有效使用鋪平道路。
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