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2篇Science证实:除了基因编辑,魔剪CRISPR还可化身“录音机”

2017/11/29 来源:生物探索
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导读
被誉为“世纪大发现”的“魔剪”CRISPR-Cas9革新了生物医学研究,并为多种疾病的治疗带来了新的希望。不仅如此,发表在Science上的2篇论文证实,“魔剪”的功能远不只基因编辑,它还可化身为记录细菌、人类细胞内事件的“录音机”。


图片来源:Wang Lab/Columbia University Medical Center

11月23日,Science最新发表的一篇论文中,来自哥伦比亚大学的一个研究小组成功将CRISPR-Cas改造成了一种微型的数据记录仪(data recorder)。这是科学家们首次利用CRISPR记录细胞活动以及相关事件的时间顺序。

视频地址:https://v.qq.com/x/page/h0510ptait2.html

具体来说,研究者们修改了普遍存在的人类肠道微生物大肠杆菌的实验室菌株,使其不仅能够记录它们与环境的相互作用,还能够对事件进行时间标记(time-stamp the events)。

论文的通讯作者Harris H. Wang博士说:“这种经改造后的细菌被患者吞下后,有望能够记录它们在整个消化道经历的变化,从而对先前难以接近的现象形成前所未有的认识。”

如何变身“录音机”

作为细菌的免疫系统,细菌基因组中的CRISPR位点积累了病毒按时间顺序入侵的记录。当这些相同病毒再次尝试感染时,CRISPR-Cas系统能够识别并清除它们。通常,CRISPR-Cas使用它记录下来的病毒序列来检测和切断入侵噬菌体(侵袭细菌的病毒)的DNA。这一DNA切割活性已经使得CRISPR-Cas成为了基因疗法研究者们的“宠儿”。


质粒(plasmid)是细菌染色体外的遗传物质,存在于细胞质中,具有自主复制能力,使其在子代细胞中也能保持恒定的拷贝数,并表达所携带的遗传信息,是闭合环状的双链DNA分子;质粒携带的遗传信息能赋予宿主菌某些生物学形状,有利于细菌在特定的环境条件下生存。(图片来源:wikipedia)

而在这项新研究中,科学家们找到了CRISPR的另一应用方向。为了创造出微型“录音机”,他们首先创建了一种修改版的质粒,使其能够在响应外部信号时在细菌细胞中产生更多的拷贝。同时,他们还创建了一个单独的记录质粒(recording plasmid,负责驱动“录音机”和标记时间),该质粒表达了CRISPR-Cas系统的组件。

在没有外部信号的情况下,只有记录质粒是活跃的,细胞会添加一段间隔序列的拷贝(copies of a spacer sequence)到其基因组中的CRISPR位点。而当细胞检测到外部信号时,另一种质粒也会被激活,从而导致它的序列插入到CRISPR位点。


图片来源:Wang Lab/Columbia University Medical Center

一段时间后,研究人员就能够利用工具对细菌的CRISPR位点进行检测和分析。研究证明,这一微型“录音机”系统可以处理至少三种同时发生的信号,并记录数日。科学家们认为,这一发现为开发利用细菌细胞进行疾病诊断或环境监测的新技术奠定了基础。


图片来源:Science

先前另一篇Science

事实上,探索君注意到,这已经不是科学家第一次将CRISPR-Cas用作信息存储工具。

去年8月,同样是发表在Science杂志上的一项研究中,来自MIT的华裔科学家卢冠达博士带领的研究小组借助CRISPR/Cas9系统开发出一种记录人类细胞DNA复杂历史的方法。据悉,这是首个可以记录人类细胞中事件持续时间和/或强度的模拟记忆存储系统。


【注释】当前,利用CRISPR-Cas9技术的研究人员首先需要构建一个sgRNA(single-guide RNA)。sgRNA中包含一段与目标DNA匹配的序列,被附着在Cas9酶上。将Cas9-sgRNA复合物引入到目标细胞后,sgRNA会找到与其匹配的DNA序列,然后,Cas9酶结合目标DNA序列,切断双链。(图片来源:网络)

通常,利用CRISPR技术编辑基因时,研究人员需要创建一个与目标DNA序列相匹配的RNA向导链(上图中的紫色链)。在这一研究中,科学家们设计的RNA向导链能够识别“编码相同向导链的DNA”,即自我靶向向导RNA(self-targeting guide RNA)。

在这种自我靶向向导RNA的引导下,Cas9酶(上图中白色像云朵一样的部分)会切割“编码这一向导链的DNA”,产生突变,从而形成这一事件的永久记录。被切割的DNA序列一旦突变后,会产生新的向导RNA链,指引Cas9酶作用于新突变的DNA。只要Cas9酶有活性或者自我靶向向导RNA依然表达,这种突变就会不断积累。

通过调节Cas9酶或自我靶向向导RNA的活性,这一系统能够提供基因组编辑的记忆。举例来说,研究人员可以设计一种特定基因回路,只有在靶分子(如TNF-α)存在时,Cas9才会表达。每当TNF-α存在时,Cas9就会切割“编码向导序列的DNA”,生成突变。接触TNF-α的时间越长或TNF-α的浓度越高,DNA序列中累积的突变就越多。随后,通过测序,研究人员就可以确定接触的程度如何。

该研究中,科学家们证实,这一系统能够记录小鼠体内的炎症反应。研究人员表示,这一方法最有可能用于研究人类细胞、组织或工程器官。通过记录细胞中发生的事件,科学家们可以监测炎症、感染或癌症的进展。

参考资料:

Multiplex recording of cellular events over time on CRISPR biological tape

World’s Smallest Tape Recorder Is Built From Microbes

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