哈佛团队带来CRISPR新应用:给细胞活动照张相 | Science
DeepTech深科技 · 2018/02/27
日前,来自哈佛大学的化学家刘如谦(David Liu)和博士后Weixin Tang利用革命性基因编辑工具CRISPR打造出了一个“细胞记录仪”。相关成果发表在顶级期刊Science杂志上。
本文转载自“DeepTech深科技”。

正如黑匣子能记录事故发生时的飞机状态,警察的随身相机能还原现场,生物学家们也希望能发明一种数据记录仪,来记录细胞变化时的内部活动。这样一来,我们就有机会阐明癌症、衰老、环境对生物的作用以及胚胎发育等过程。

科学家们曾经作出过很多尝试,例如,把某一特定基因和有效的荧光蛋白基因联系在一起以实现追踪效果,或使用重组酶来修饰基因序列;但这些方法存在各种问题,比如记录的信息无法遗传到下一代细胞,或无法记录信号的强度与时间。

现在,科学家利用革命性基因编辑工具CRISPR打造出了一个“细胞记录仪”,完美地解决了上述问题。本周的《Science》在线刊登了来自哈佛大学的化学家刘如谦(David Liu)和博士后Weixin Tang的成果,揭示了这个他们称之为”CRISPR介导”的模拟多事件记录装置“CAMERA”。


图丨David Liu

为了进一步说明该技术,研究人员们对细胞进行光照、注射抗生素、病毒感染,皆能够观察到 CAMERA 记录的细胞改变。“这项研究的亮点是人们如何利用CRISPR 技术来阐明细胞通路”,加州大学伯克利分校的生物工程师 Dave Savage说道。

CRISPR 的初始作用为定位并切割双螺旋DNA,自发明以来广泛用于基因敲除与基因编辑。CRISPR/Cas9 系统是其中最为成熟的工具,该系统由向导 RNA 和 Cas9 酶组成,前者能特异性的识别 DNA 序列,而后者负责剪切识别位点。而“ CAMERA ”的机制则为,外来的刺激信号会作用于 CRISPR 系统,使其对遗传信息进行改变,通过记录这种变化能够得知细胞受到的刺激。


CAMERA 的第一种形式利用了质粒的特性:质粒为细菌的遗传物质,是一种环状的 DNA,能够在细胞质中自我复制但严格保持一定的种群数目。

记录仪包含了两种质粒 R1 和 R2,两者初始比例是稳定的。记录仪还含有一种特殊的质粒,该质粒被引入了含有 CRISPR 组分的基因,当细胞受到外来刺激时,能激活该质粒,并在细胞内转录或翻译出向导 RNA 和 Cas9 酶,作用于 R1 质粒,使其数目发生变化。例如,在研究者们进行的一项测试中,当他们把一抗生素激活的 CAMERA 系统装于细菌中,通过测序细菌并记录 R1:R2 的变化,研究者们便能够知道细胞暴露于药物的时长。


(来源:Science 官网)

CAMERA 的第二种形式则使用了修饰过的Cas9酶,该酶不能切割双螺旋,但却能作用于胞嘧啶使其转化为胸腺嘧啶,两者都为DNA四种碱基之一。当CRISPR系统被激活时,向导RNA把Cas9酶一同定位至一类被叫做“安全港”的基因,这类基因的DNA能够被任意改变而不损害细胞。研究者们能通过观察“安全港”基因胞嘧啶的改变情况,间接记录信号作用的强度。例如,在另一项测试中,研究者们通过激活Wnt通路(该通路在胚胎发育和癌症发生中发挥着重要的作用),使CAMERA开启,以记录刺激信号对Wnt通路的作用。


图丨卢冠达

除了CAMERA外,其他的研究人员也利用CRISPR发明了记录装置,如麻省理工学院的卢冠达(Timothy Lu)。但卢冠达表示,他的发明仅限于细菌,并且相比CAMERA,需要“一个数量级”更多的细胞作为样本来记录信号,信噪比也更差。

CAMERA 能够在包含仅10个细胞的样本中工作,其意义至关重大。因为所需细胞越少,代表着测量精确度也越高。

以研究大脑为例,哈佛大学遗传学家George Church指出:“如果想要绘制一幅大脑活动图,每一个细胞都不同且至关重要。”

同时,如前文所述,CAMERA 的另一个重要意义在于,它能够记录信号作用的时间与强度。以癌症为例,这能帮助我们观测细胞在不同阶段对不同信号的响应情况,以阐明其增殖机理。Church 表示:“理想情况是有一个单分子自动记录仪,能记录可读的 DNA 序列,并告诉你在整段时间中每个细胞在发生着什么。”

CAMERA 还有其他潜在的功能,例如清除已记录的信息、通过药物“重置”质粒比等。CAMERA还可已同时或先后记录几个不同的信号对细胞的作用。但是对于这个拥挤的生物记录领域,想要 CAMERA 证明自己的价值,研究人员必须要证明它能够在动物体内也发挥作用,而不只是在刘如谦的Wnt实验中。

“真正的能力尚未释放”,Savage 说,“杀手级的应用需拭目以待。”

参考:

http://www.sciencemag.org/news/2018/02/genome-editor-crispr-s-latest-trick-offering-sharper-snapshot-activity-inside-cell

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  • Rewritable multi-event analog recording in bacterial and mammalian cells

    We present two CRISPR-mediated analog multi-event recording apparatus (CAMERA) systems that use base editors and Cas9 nucleases to record cellular events in bacteria and mammalian cells. The devices record signal amplitude or duration as changes in the ratio of mutually exclusive DNA sequences (CAMERA 1), or as single-base modifications (CAMERA 2). We achieved recording of multiple stimuli in bacteria or mammalian cells, including exposure to antibiotics, nutrients, viruses, light, and changes in Wnt signaling. When recording to multi-copy plasmids, reliable readout requires as few as 10-100 cells. The order of stimuli can be recorded through an overlapping guide RNA design and memories can be erased and re-recorded over multiple cycles. CAMERA systems serve as “cell data recorders” that write a history of endogenous or exogenous signaling events into permanent DNA sequence modifications in living cells.

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