將活細(xì)胞想像成微型計(jì)算機(jī)，只要有足夠精確的讀寫“硬件”，就可以記錄和處理單核苷酸突變和DNA片段，而不是位和字節(jié)。麻省理工學(xué)院的科學(xué)家剛剛介紹了這種硬件。它的核心是CRISPR基礎(chǔ)編輯系統(tǒng)，可以將胞嘧啶(C)導(dǎo)入胸腺嘧啶(T)突變，以引導(dǎo)RNA靶向的DNA片段。

CRISPR基礎(chǔ)編輯系統(tǒng)可以在“位水平”可靠地覆蓋DNA，因?yàn)榕c普通的CRISPR基因編輯系統(tǒng)不同，這些系統(tǒng)不會(huì)使DNA遭受雙鏈斷裂。普通的CRISPR基因編輯系統(tǒng)依賴于細(xì)胞自身的DNA修復(fù)機(jī)制，這可能導(dǎo)致不確定的突變結(jié)果，從而限制了可以存儲(chǔ)的信息量。

借助CRISPR基礎(chǔ)編輯的應(yīng)用，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家可能會(huì)帶來(lái)Cellular Computation 2.0。他們創(chuàng)建了一個(gè)名為DOMINO(基于DNA的有序內(nèi)存和迭代網(wǎng)絡(luò)操作員)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于記錄細(xì)胞生命中許多事件的強(qiáng)度，持續(xù)時(shí)間，序列和時(shí)間安排，例如暴露于某些環(huán)境中?；瘜W(xué)藥品。然后可以處理細(xì)胞“記憶”，以便一個(gè)事件或一系列事件將觸發(fā)另一個(gè)事件，例如熒光蛋白的產(chǎn)生。

“我們需要更好的策略來(lái)揭示復(fù)雜生物學(xué)的工作原理，尤其是在癌癥之類的疾病中，可能發(fā)生多種生物學(xué)事件，將正常細(xì)胞轉(zhuǎn)化為患病細(xì)胞，”麻省理工學(xué)院電氣工程學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)家，醫(yī)學(xué)博士Timothy Lu說(shuō)。博德學(xué)院。Lu和同事(包括Schmidt科學(xué)研究員Fahim Farzadfard博士)開(kāi)發(fā)了DOMINO，以超越現(xiàn)有策略的記錄和擴(kuò)展功能。

“通過(guò)[DOMINO]，我們將DNA用作存儲(chǔ)帶來(lái)永久記錄疾病中發(fā)生的生物學(xué)事件，” Lu闡述道。“這項(xiàng)技術(shù)可以讓我們更深入地了解隨著時(shí)間的推移，哪些信號(hào)會(huì)上升和下降，從而推動(dòng)疾病的發(fā)展。”

有關(guān)DOMINO的詳細(xì)信息出現(xiàn)在8月22日的《分子細(xì)胞》雜志上，標(biāo)題為“ 活細(xì)胞中的單核苷酸分辨率計(jì)算和記憶 ”。根據(jù)這篇文章，DOMINO可用于編碼細(xì)菌和真核細(xì)胞中的邏輯和記憶。 。

該文章的作者寫道：“ DOMINO操作員可以通過(guò)模擬和數(shù)字分子記錄來(lái)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)信號(hào)動(dòng)力學(xué)和細(xì)胞事件。” “此外，可以將多個(gè)算子進(jìn)行分層和互連，以對(duì)順序無(wú)關(guān)，順序和時(shí)間邏輯進(jìn)行編碼，從而可以記錄和控制細(xì)胞中分子事件的組合，順序和時(shí)間。”

DOMINO是由操作員單元組成的模塊化系統(tǒng)。每個(gè)單元由一個(gè)堿基編輯器(與胞苷脫氨酶融合的Cas9的非切割變體)和一個(gè)指導(dǎo)RNA組成，該RNA與其在基因組上的互補(bǔ)序列結(jié)合，并將堿基編輯器募集到該序列。一旦招募，基礎(chǔ)編輯器就可以引入C to T突變。

可以設(shè)計(jì)DOMINO操縱子中的指導(dǎo)RNA，使其僅在先前事件首先將某種突變引入該序列后才能結(jié)合其靶序列。因此，為了使基本編輯器進(jìn)行更改，必須已進(jìn)行了先前的更改，以便可以進(jìn)行下一個(gè)更改。如果特定序列發(fā)生突變，則可以進(jìn)行下一步。如果它沒(méi)有突變，那么下一步就不會(huì)發(fā)生。

Farzadfard解釋說(shuō)：“您可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使輸入的每種組合都為您提供獨(dú)特的突變特征。” “從該簽名中，您可以判斷出輸入的哪種組合。”

研究人員使用DOMINO創(chuàng)建可以執(zhí)行邏輯計(jì)算的電路，其中包括AND和OR門可以檢測(cè)多個(gè)輸入的存在。他們還創(chuàng)建了可以記錄以一定順序發(fā)生的事件級(jí)聯(lián)的電路，類似于多米諾骨牌掉落的陣列。

由艾倫腦科學(xué)研究所的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，產(chǎn)生了迄今為止可能是最詳細(xì)的人腦“零件清單”。他們的研究，在《自然》中有描述繪制了人類皮質(zhì)不同層中單個(gè)細(xì)胞類型的組織圖，并在人類和小鼠腦細(xì)胞類型之間進(jìn)行了超高分辨率的比較。結(jié)果表明，大多數(shù)人類腦細(xì)胞都具有與小鼠相當(dāng)?shù)男∈螅@種小鼠已經(jīng)有效保留了7500萬(wàn)年的進(jìn)化。但是，在人類和小鼠的同源細(xì)胞類型之間也存在廣泛的差異，研究人員認(rèn)為，人類和嚙齒動(dòng)物的大腦結(jié)構(gòu)與細(xì)胞組織之間的關(guān)鍵差異可以幫助解釋為什么使用小鼠模型開(kāi)發(fā)的如此多種精神藥物無(wú)法在小鼠體內(nèi)起作用。人類。

“最重要的是，我們的大腦與老鼠的大腦之間存在著很大的異同，”艾倫腦科學(xué)研究所首席科學(xué)家兼總裁Christof Koch博士說(shuō)。“其中之一告訴我們存在巨大的進(jìn)化連續(xù)性，而另一個(gè)告訴我們我們與眾不同。如果要治療人腦疾病，則必須了解人腦的獨(dú)特性。”科赫和同事在題為“ 人與小鼠皮層中具有不同特征的保守細(xì)胞類型 ”的論文中描述了他們的發(fā)現(xiàn)。

資料來(lái)源：艾倫研究所

作者寫道，人類大腦皮層處理著我們更高的認(rèn)知能力和功能，并且是“生物學(xué)已知的最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)”。它由160億個(gè)神經(jīng)元和610億個(gè)非神經(jīng)元細(xì)胞組成，它們被組織成100多個(gè)不同的解剖或功能區(qū)域。與最常用于研究的動(dòng)物模型老鼠的大腦皮層相比，人類大腦皮層的面積和神經(jīng)元數(shù)量增加了1000倍以上。

研究人員使用一種稱為單核RNA測(cè)序(snRNA-seq)的技術(shù)來(lái)分析來(lái)自冷凍人腦標(biāo)本的單個(gè)核的基因表達(dá)，并識(shí)別區(qū)域不同層中不同類型的神經(jīng)元和非神經(jīng)元腦細(xì)胞。人類大腦皮層中顳回(MTG)。他們指出：“總共有15928個(gè)核通過(guò)了質(zhì)量控制，包括來(lái)自10708個(gè)興奮性神經(jīng)元，4297個(gè)抑制性神經(jīng)元和923個(gè)非神經(jīng)元細(xì)胞的核。”

細(xì)胞分析確定了人類MTG中的6種非神經(jīng)元，24種興奮性和45種抑制細(xì)胞類型。去年，艾倫研究所(Allen Institute)對(duì)小鼠進(jìn)行的一項(xiàng)類似研究提供了小鼠細(xì)胞數(shù)據(jù)集，研究小組隨后將其用于比較。這表明，這75種人類大腦細(xì)胞類型在小鼠中具有基本的等效性，因此，如果人類和小鼠的大腦看起來(lái)不同，則在基因表達(dá)水平上，細(xì)胞類型非常相似。

艾倫研究所的科學(xué)家麗貝卡·霍奇(Rebecca Hodge)檢查了一塊人類大腦。這是用于人類和小鼠腦細(xì)胞類型比較研究的幾種腦樣本之一。[艾倫學(xué)院]

“除了總體多樣性和層次結(jié)構(gòu)上的相似性之外，大多數(shù)細(xì)胞類型都映射到亞類水平，七種細(xì)胞類型是一對(duì)一映射的，盡管人類和小鼠之間的最后共同祖先至少活著65歲，但沒(méi)有任何主要類別缺少同源類型。一百萬(wàn)年前，盡管大腦大小和細(xì)胞數(shù)量相差千倍。” “因此，細(xì)胞類別和亞類的轉(zhuǎn)錄組學(xué)組織似乎是保守的，在細(xì)胞類型區(qū)分的最佳水平上發(fā)現(xiàn)了物種和區(qū)域變異。”

但是，這兩個(gè)物種之間有許多差異。研究發(fā)現(xiàn)，5-羥色胺受體存在于與神經(jīng)遞質(zhì)5-羥色胺發(fā)生反應(yīng)的神經(jīng)元上，是食欲，情緒，記憶力，睡眠和許多其他重要腦功能的關(guān)鍵，在小鼠和人類的腦細(xì)胞之間存在巨大差異。盡管人類和小鼠都具有這些蛋白質(zhì)，但在這兩個(gè)物種的相同種類的神經(jīng)元中卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它們。這一主要差異可以解釋為什么開(kāi)發(fā)新的抗抑郁藥或其他與5-羥色胺相關(guān)疾病的藥物如此困難。一種作用于5-羥色胺受體的藥物在小鼠和人類中可能具有完全不同的作用。“……盡管哺乳動(dòng)物的結(jié)構(gòu)保持了保守，但這些結(jié)果仍有助于解決使用鼠標(biāo)進(jìn)行臨床前研究失敗的悖論，

“許多人會(huì)認(rèn)為人腦比老鼠的大腦要復(fù)雜，”艾倫腦科學(xué)研究所研究員，該研究的高級(jí)作者埃德·萊恩博士說(shuō)。“至少在細(xì)胞多樣性方面，似乎并非如此，這令人感到有些意外。但是現(xiàn)在我們有了一種進(jìn)行真正的蘋果對(duì)蘋果比較的方法，我們開(kāi)始看到在基因的使用方式，細(xì)胞的外觀以及大腦中不同細(xì)胞類型的比例方面有許多差異。”

希望對(duì)小鼠和人類大腦細(xì)胞類型進(jìn)行新的比較和對(duì)齊，將有助于科學(xué)家將經(jīng)過(guò)數(shù)十年的嚙齒動(dòng)物研究獲得的知識(shí)外推到人類大腦。美國(guó)國(guó)家精神衛(wèi)生研究所所長(zhǎng)喬舒亞·戈登說(shuō)：“人腦的零件清單是關(guān)鍵。” “該列表使我們能夠了解小鼠和人類之間的區(qū)別和相似之處。這種理解的最終影響將是更好地治療精神疾病。最終目標(biāo)將是開(kāi)發(fā)整個(gè)人腦的完整零件清單。這是一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)，但本文向我們展示了這是一項(xiàng)可行的任務(wù)。”

大多數(shù)以前版本的細(xì)胞存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)要求通過(guò)對(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序來(lái)讀取存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器。但是，該過(guò)程會(huì)破壞細(xì)胞，因此無(wú)法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。在這項(xiàng)研究中，研究人員設(shè)計(jì)了電路，使最終輸出可以激活綠色熒光蛋白(GFP)的基因。通過(guò)測(cè)量熒光水平，研究人員可以估算出積累了多少突變，而不會(huì)殺死細(xì)胞。

目前，該團(tuán)隊(duì)已使用該技術(shù)記錄了數(shù)小時(shí)的事件。但是他們希望他們可以改善時(shí)間分辨率，并使其適合于記錄在更快的時(shí)間尺度上發(fā)生的細(xì)胞事件。他們還計(jì)劃將DOMINO的應(yīng)用程序擴(kuò)展到高度并行的計(jì)算和記錄，以處理和詢問(wèn)更復(fù)雜的生物事件。

Lu表示：“這種類型的生物計(jì)算是一種獲取和處理信息的令人興奮的新方式。” “這是利用單元中自然內(nèi)存和計(jì)算功能的長(zhǎng)期途徑的一部分。”

DOMINO的潛在應(yīng)用包括創(chuàng)建激活某些信號(hào)分子時(shí)產(chǎn)生GFP的小鼠免疫細(xì)胞，研究人員可以通過(guò)定期從小鼠采集血液樣本進(jìn)行分析。

研究人員說(shuō)，另一個(gè)可能的應(yīng)用是設(shè)計(jì)可以檢測(cè)與癌癥有關(guān)的基因活性的電路。還可以對(duì)此類電路進(jìn)行編程，以打開(kāi)產(chǎn)生抗癌分子的基因，從而使系統(tǒng)能夠檢測(cè)和治療疾病。Lu指出：“這些應(yīng)用程序可能與現(xiàn)實(shí)世界的使用相距甚遠(yuǎn)，但肯定會(huì)通過(guò)這種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。”