麻省理工學(xué)院的生物工程師已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種方法來(lái)記錄人體細(xì)胞DNA中的復(fù)雜歷史，使他們能夠通過(guò)對(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序來(lái)檢索過(guò)去事件的“記憶”，例如炎癥。這種模擬記憶存儲(chǔ)系統(tǒng) - 第一個(gè)能記錄人體細(xì)胞事件持續(xù)時(shí)間和/或強(qiáng)度的系統(tǒng) - 也可以幫助科學(xué)家研究細(xì)胞在胚胎發(fā)育過(guò)程中如何分化成各種組織，細(xì)胞如何經(jīng)歷環(huán)境條件，以及它們?nèi)绾谓?jīng)歷基因變化導(dǎo)致疾病。

“為了更深入地了解生物學(xué)，我們?cè)O(shè)計(jì)了能夠基于遺傳編碼記錄器報(bào)告自己歷史的人體細(xì)胞，”電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授，生物工程學(xué)教授Timothy Lu說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該提供基因調(diào)控和細(xì)胞內(nèi)其他事件如何促進(jìn)疾病和發(fā)展的見(jiàn)解。

Lu是麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室合成生物學(xué)組的負(fù)責(zé)人，是該研究的高級(jí)作者，該研究出現(xiàn)在8月18日的在線科學(xué)版上。該論文的主要作者是Samuel Perli SM '10，博士'15和研究生Cheryl Cui。

模擬記憶

包括盧在內(nèi)的許多科學(xué)家已經(jīng)設(shè)計(jì)出了在活細(xì)胞中記錄數(shù)字信息的方法。使用稱(chēng)為重組酶的酶，當(dāng)特定事件發(fā)生時(shí)，它們編程細(xì)胞翻轉(zhuǎn)其DNA片段，例如暴露于特定化學(xué)物質(zhì)。然而，該方法僅揭示事件是否發(fā)生，而不是暴露了多少曝光或持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間。

Lu和其他研究人員之前已經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)在細(xì)菌中記錄這種類(lèi)似模擬信息的方法，但直到現(xiàn)在，還沒(méi)有人在人體細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)這種信息。

新的MIT方法基于稱(chēng)為CRISPR的基因組編輯系統(tǒng)，其由稱(chēng)為Cas9的DNA切割酶和將酶引導(dǎo)至基因組的特定區(qū)域的短RNA鏈組成，指導(dǎo)Cas9在哪里進(jìn)行切割。

CRISPR廣泛用于基因編輯，但麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)決定將其用于記憶存儲(chǔ)。在CRISPR最初進(jìn)化的細(xì)菌中，該系統(tǒng)記錄過(guò)去的病毒感染，以便細(xì)胞識(shí)別并抵抗入侵的病毒。

“我們希望調(diào)整CRISPR系統(tǒng)以在人類(lèi)基因組中存儲(chǔ)信息，”Perli說(shuō)。

當(dāng)使用CRISPR編輯基因時(shí)，研究人員創(chuàng)建了與宿主生物基因組中的靶序列匹配的RNA引導(dǎo)鏈。為了編碼記憶，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)采用了不同的方法：他們?cè)O(shè)計(jì)了引導(dǎo)鏈，識(shí)別編碼同一引導(dǎo)鏈的DNA，創(chuàng)造了他們所謂的“自我靶向指導(dǎo)RNA”。

在這種自我靶向引導(dǎo)RNA鏈的帶動(dòng)下，Cas9切割編碼引導(dǎo)鏈的DNA，產(chǎn)生突變，成為事件的永久記錄。該DNA序列一旦發(fā)生突變，就會(huì)產(chǎn)生新的指導(dǎo)RNA鏈，將Cas9導(dǎo)向新突變的DNA，只要Cas9具有活性或表達(dá)自靶向指導(dǎo)RNA，就可以進(jìn)一步積累突變。

通過(guò)使用用于特定生物事件的傳感器來(lái)調(diào)節(jié)Cas9或自我靶向指導(dǎo)RNA活性，該系統(tǒng)使得累積突變能夠作為這些生物學(xué)輸入的函數(shù)累積，從而提供基因組編碼的記憶。

例如，研究人員設(shè)計(jì)了一種基因回路，該基因回路僅在存在靶分子的情況下表達(dá)Cas9，例如TNF-α，其在炎癥期間由免疫細(xì)胞產(chǎn)生。每當(dāng)存在TNF-α時(shí)，Cas9切割編碼指導(dǎo)序列的DNA，產(chǎn)生突變。暴露于TNF-α的時(shí)間越長(zhǎng)或TNF-α濃度越大，DNA序列中的突變累積越多。

通過(guò)對(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序，研究人員可以確定有多少暴露。

“這是我們正在尋找的豐富的模擬行為，隨著你增加TNF-α的數(shù)量或持續(xù)時(shí)間，你會(huì)增加突變量，”Perli說(shuō)。

“此外，我們想在活體動(dòng)物身上測(cè)試我們的系統(tǒng)。能夠記錄和提取小鼠活細(xì)胞的信息可以幫助回答有意義的生物學(xué)問(wèn)題，”崔說(shuō)。研究人員表明，該系統(tǒng)能夠記錄小鼠的炎癥。

大多數(shù)突變導(dǎo)致部分DNA序列被刪除，因此研究人員設(shè)計(jì)他們的RNA引導(dǎo)鏈比通常的20個(gè)核苷酸長(zhǎng)，因此它們不會(huì)變得太短而無(wú)法運(yùn)作。40個(gè)核苷酸的序列長(zhǎng)度足以記錄一個(gè)月，研究人員還設(shè)計(jì)了70個(gè)核苷酸序列，可用于記錄更長(zhǎng)時(shí)間的生物信號(hào)。

跟蹤發(fā)展和疾病

研究人員還表明，通過(guò)在同一細(xì)胞中產(chǎn)生多個(gè)自靶向RNA引導(dǎo)鏈，他們可以設(shè)計(jì)細(xì)胞來(lái)檢測(cè)和記錄多個(gè)輸入。每個(gè)RNA指南都與特定輸入相關(guān)聯(lián)，只有在輸入存在時(shí)才會(huì)生成。在這項(xiàng)研究中，研究人員表明他們可以記錄抗生素強(qiáng)力霉素和一種稱(chēng)為IPTG的分子的存在。

研究人員表示，目前這種方法最有可能用于研究人體細(xì)胞，組織或工程器官。通過(guò)編程細(xì)胞記錄多個(gè)事件，科學(xué)家可以使用該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)炎癥或感染，或監(jiān)測(cè)癌癥進(jìn)展。它還可用于追蹤細(xì)胞在從胚胎到成蟲(chóng)的動(dòng)物發(fā)育過(guò)程中如何專(zhuān)注于不同的組織。

“利用這項(xiàng)技術(shù)，你可以使用不同的存儲(chǔ)器寄存器來(lái)記錄不同信號(hào)的曝光，你可以看到這些信號(hào)中的每一個(gè)都是由電池在這段時(shí)間內(nèi)或以這種強(qiáng)度接收的，”Perli說(shuō)。“通過(guò)這種方式，你可以更加了解發(fā)展中正在發(fā)生的事情。”