CRISPR 创新应用:细胞记录仪

日期: 2018年02月26日


    

导读:近期,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”,相关研究成果刊登在本周的《Science》上。该研究揭示了这个他们称之为”CRISPR 介导”的模拟多事件记录装置“CAMERA”。赛业小编为您推荐“CRISPR 创新应用:细胞记录仪”,详情如下:


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”。

 

David Liu
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。

 

细胞记录仪


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。

 

细菌测序
(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。

 

卢冠达
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。”


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