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      用于細胞歷史的記錄設備
      
			
      
				2019-03-18 10:41:34
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      ETH的研究人員正在使用CRISPR-Cas系統(tǒng)開發(fā)一種新的記錄機制：它產生的DNA片段可以提供有關某些細胞過程的信息。將來，這種蜂窩內存甚至可能用于診斷。
      

      用于細胞歷史的記錄設備
      

      諸如病毒感染以及暴露于環(huán)境毒素或其他形式的壓力等事件會改變基因的活性，從而在細胞內留下分子痕跡。這些變化主要發(fā)生在信使RNA(mRNA)水平。這些是在基因被激活和讀取時編碼遺傳信息的分子，這一過程稱為轉錄。研究人員可以通過測量細胞中存在的mRNA分子來準確地研究基因的活性。然而，基因轉錄的痕跡迅速消失 - mRNA高度不穩(wěn)定，細胞經常在短時間后降解。
      

      圓形DNA作為記錄系統(tǒng)
      

      ETH研究員Randall Platt和他在生物系統(tǒng)科學與工程系的同事現(xiàn)已開發(fā)出一種分子記錄系統(tǒng)，可將轉錄事件寫入DNA，在那里它們可以永久存儲，然后通過測序進行訪問。
      

      為了創(chuàng)建他們的“錄音設備”，Platt的博士生Florian Schmidt和Mariia Cherepkova使用了CRISPR-Cas系統(tǒng)。CRIPSR-Cas是細菌和古細菌的適應性免疫系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過記錄感染細胞的病原體的遺傳信息起到免疫記憶裝置的作用。該遺傳信息記錄在稱為CRISPR陣列的特定DNA片段中 - 稱為獲取的過程。
      

      CRISPR陣列能夠存儲DNA的短序列，稱為源自病原體的“間隔物”。間隔物通過稱為直接重復的短而相同的DNA序列彼此分開，就像串上的珍珠一樣。
      

      研究人員使用腸道細菌大腸桿菌，從不同的細菌物種中引入CRISPR-Cas系統(tǒng)的基因。其中一個Cas基因與逆轉錄酶融合，逆轉錄酶是一種使用RNA分子產生編碼相同信息的DNA的酶 - 換句話說，它將RNA轉錄回DNA。
      

      提供該CRISPR-Cas的外源基因的大腸桿菌細胞能夠產生結合短mRNA分子的蛋白質復合物。逆轉錄酶將這些RNA間隔區(qū)翻譯成DNA，含有與原始RNA相同的信息，隨后將它們存儲在CRISPR陣列中。該過程可以多次發(fā)生，使得新的間隔物以相反的時間順序添加到CRISPR陣列，因此最近獲得的DNA片段總是第一個。
      

      原則上，這使得可以在CRISPR陣列內記錄任何數(shù)量的間隔物。由于DNA高度穩(wěn)定，記錄的信息可以長期保存，也可以從一代細菌傳遞到下一代細菌。
      

      “我們的系統(tǒng)是一種生物數(shù)據(jù)記錄器。它記錄了細菌對外部影響的遺傳反應，使我們能夠獲取這些信息，即使經過多次細菌生成，”該研究的第一作者，最近發(fā)表于此的研究報告的弗洛里安施密特說。該雜志自然。
      

      ETH Randall Platt教授說：“研究人員長期致力于創(chuàng)造合成細胞記憶的形式，但我們是第一個開發(fā)能夠記錄細胞中每個基因表達信息的人。” 研究人員花了兩年多時間研究這個系統(tǒng)。
      

      訪問整個日志
      

      到目前為止，研究人員僅限于在一次快照中測量mRNA。拍攝這些快照通常意味著破壞細胞，提取其mRNA，然后量化它們。相比之下，新的CRISPR-Cas RNA記錄系統(tǒng)記錄了細胞的歷史，使研究人員可以訪問整個細胞日志，而不僅僅是一個時間點。
      

      作為他們研究的一部分，ETH研究人員記錄了配備有數(shù)據(jù)記錄器的大腸桿菌對除草劑百草枯的反應。這種物質引起細胞內mRNA轉錄的變化，科學家們甚至可以在除草劑暴露后幾天從CRISPR陣列中讀出這種反應。沒有數(shù)據(jù)記錄器，細菌與除草劑接觸的任何分子痕跡早就會被破壞，信息就會丟失。
      

      除了對研究目的感興趣之外，這種生物數(shù)據(jù)記錄器還可以設想用于診斷或作為傳感器來測量環(huán)境毒素，例如除草劑。本研究證明了這種方法的可行性，盡管實際應用還有很長的路要走。Randall Platt在巴塞爾的研究團隊已經在努力將該系統(tǒng)轉移到其他細胞類型，并為其有效用作診斷工具鋪平了道路。
      
			

			
        
      
			
      
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