用于细胞历史的记录设备

ETH的研究人员正在使用CRISPR-Cas系统开发一种新的记录机制：它产生的DNA片段可以提供有关某些细胞过程的信息。将来，这种蜂窝内存甚至可能用于诊断。

诸如病毒感染以及暴露于环境毒素或其他形式的压力等事件会改变基因的活性，从而在细胞内留下分子痕迹。这些变化主要发生在信使RNA(mRNA)水平。这些是在基因被激活和读取时编码遗传信息的分子，这一过程称为转录。研究人员可以通过测量细胞中存在的mRNA分子来准确地研究基因的活性。然而，基因转录的痕迹迅速消失 - mRNA高度不稳定，细胞经常在短时间后降解。

圆形DNA作为记录系统

ETH研究员Randall Platt和他在生物系统科学与工程系的同事现已开发出一种分子记录系统，可将转录事件写入DNA，在那里它们可以永久存储，然后通过测序进行访问。

为了创建他们的“录音设备”，Platt的博士生Florian Schmidt和Mariia Cherepkova使用了CRISPR-Cas系统。CRIPSR-Cas是细菌和古细菌的适应性免疫系统。该系统通过记录感染细胞的病原体的遗传信息起到免疫记忆装置的作用。该遗传信息记录在称为CRISPR阵列的特定DNA片段中 - 称为获取的过程。

CRISPR阵列能够存储DNA的短序列，称为源自病原体的“间隔物”。间隔物通过称为直接重复的短而相同的DNA序列彼此分开，就像串上的珍珠一样。

研究人员使用肠道细菌大肠杆菌，从不同的细菌物种中引入CRISPR-Cas系统的基因。其中一个Cas基因与逆转录酶融合，逆转录酶是一种使用RNA分子产生编码相同信息的DNA的酶 - 换句话说，它将RNA转录回DNA。

提供该CRISPR-Cas的外源基因的大肠杆菌细胞能够产生结合短mRNA分子的蛋白质复合物。逆转录酶将这些RNA间隔区翻译成DNA，含有与原始RNA相同的信息，随后将它们存储在CRISPR阵列中。该过程可以多次发生，使得新的间隔物以相反的时间顺序添加到CRISPR阵列，因此最近获得的DNA片段总是第一个。

原则上，这使得可以在CRISPR阵列内记录任何数量的间隔物。由于DNA高度稳定，记录的信息可以长期保存，也可以从一代细菌传递到下一代细菌。

“我们的系统是一种生物数据记录器。它记录了细菌对外部影响的遗传反应，使我们能够获取这些信息，即使经过多次细菌生成，”该研究的第一作者，最近发表于此的研究报告的弗洛里安施密特说。该杂志自然。

ETH Randall Platt教授说：“研究人员长期致力于创造合成细胞记忆的形式，但我们是第一个开发能够记录细胞中每个基因表达信息的人。” 研究人员花了两年多时间研究这个系统。

访问整个日志

到目前为止，研究人员仅限于在一次快照中测量mRNA。拍摄这些快照通常意味着破坏细胞，提取其mRNA，然后量化它们。相比之下，新的CRISPR-Cas RNA记录系统记录了细胞的历史，使研究人员可以访问整个细胞日志，而不仅仅是一个时间点。

作为他们研究的一部分，ETH研究人员记录了配备有数据记录器的大肠杆菌对除草剂百草枯的反应。这种物质引起细胞内mRNA转录的变化，科学家们甚至可以在除草剂暴露后几天从CRISPR阵列中读出这种反应。没有数据记录器，细菌与除草剂接触的任何分子痕迹早就会被破坏，信息就会丢失。

除了对研究目的感兴趣之外，这种生物数据记录器还可以设想用于诊断或作为传感器来测量环境毒素，例如除草剂。本研究证明了这种方法的可行性，尽管实际应用还有很长的路要走。Randall Platt在巴塞尔的研究团队已经在努力将该系统转移到其他细胞类型，并为其有效用作诊断工具铺平了道路。