2018年10月5日/
生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院和巴塞爾大學的研究人員利用CRISPR-Cas系統開發出一種新的記錄設備：它產生的DNA片段能夠提供關於某些細胞過程的信息。在未來，這種細胞存儲設備甚至可能用於
診斷中。相關研究結果於2018年10月3日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Transcriptional recording by CRISPR spacer acquisition from RNA」。
諸如病毒感染以及暴露於環境毒素或遭受其他形式的應激等事件會改變基因的活性，從而在細胞內留下分子痕跡。這些變化主要發生在信使RNA（mRNA）水平上。mRNA是當基因被激活和讀取時產生的編碼
遺傳信息的分子，這一過程稱為轉錄。科學家們能夠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，基因轉錄的痕跡快速地消失---mRNA是高度不穩定的，而且細胞經常在短時間後降解它。
將通過逆轉錄產生的DNA作為一種記錄系統蘇黎世聯邦理工學院研究員Randall Platt及其同事們如今開發出一種可將轉錄事件寫入DNA中的分子記錄系統，可將轉錄事件寫入DNA，在那裡它們能夠被永久性地存儲，然後通過測序就可訪問到。
圖片來自Schmidt et al., 2018/ ETH Zurich。
為了構建他們的「記錄設備」，Platt的博士生Florian Schmidt和Mariia Cherepkova採用了CRISPR-Cas系統。CRISPR-Cas是
細菌和古生菌中的一種適應性免疫系統。CRISPR-Cas系統通過記錄感染細胞的病原體的遺傳信息而起著類似於免疫存儲設備的作用。這種
遺傳信息被記錄在稱為CRISPR陣列的特定DNA片段中，這是一種稱為獲取的過程。
CRISPR陣列能夠存儲源自病原體的稱為「間隔序列（spacer）」的短片段DNA序列。這些間隔序列彼此之間通過相同的稱為同向重複序列（direct repeat）的短片段DNA序列分隔開來，就像一串珍珠一樣。
這些研究人員利用腸道細菌大腸桿菌開展研究，將來自一種不同的
細菌物種的編碼CRISPR-Cas系統的基因導入到大腸桿菌中。其中的一個Cas基因與一種逆轉錄酶融合在一起，其中逆轉錄酶是利用mRNA分子產生編碼相同信息的DNA ---換句話說，它將mRNA逆轉錄為DNA。
導入這些編碼CRISPR-Cas的外源基因的大腸桿菌細胞能夠產生一種結合短mRNA分子的蛋白複合物。這種逆轉錄酶將mRNA翻譯為含有與初始的mRNA相同的
遺傳信息的DNA，然後將它們作為間隔序列存儲在CRISPR陣列中。這種過程能夠多次發生，從而使得新的間隔序列以相反的時間順序添加到CRISPR陣列，因此最近獲得的DNA片段總是位於最前面。
原則上，這使得在CRISPR陣列內記錄任何數量的間隔序列成為可能。鑑於DNA是高度穩定的，記錄的信息能夠長期保存而且也可從一代細菌傳遞到下一代
細菌。
Schmidt說，「我們的系統是一種生物數據記錄器。它記錄了細菌對外部影響作出的
遺傳反應，從而讓我們能夠獲取這些信息，即使經過許多代
細菌之後，也是如此。」
Platt教授說，「研究人員長期致力於構建合成細胞記憶的形式，但是我們是首次開發能夠記錄隨著時間的推移細胞中每個基因表達信息的細胞存儲設備。」
訪問整個記錄日誌到目前為止，科學家們僅限於在一次快照中測量mRNA。拍攝這些快照通常意味著破壞細胞，提取它的mRNA，然後進行定量檢測。相比之下，這種新的CRISPR-Cas RNA記錄系統記錄了細胞的歷史，從而使得研究人員能夠訪問整個細胞記錄日誌，而不僅僅是一個時間點。
作為他們研究的一部分，這些研究人員記錄了配備有這種數據記錄器的大腸桿菌對除草劑百草枯作出的反應。這種除草劑引起細胞內mRNA轉錄發生變化，這樣他們就能夠在接觸除草劑幾天後從CRISPR陣列中讀出這種反應。如果沒有這種數據記錄器，大腸桿菌與這種除草劑接觸的任何分子痕跡早就會被破壞，這種信息也就丟失了。
這種生物數據記錄器還可能用於
診斷或作為傳感器來測量環境有毒素，比如除草劑。這項新的研究證實了這種方法的可行性，儘管離實際應用還有很長的路要走。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：Florian Schmidt, Mariia Y. Cherepkova & Randall J. Platt. Transcriptional recording by CRISPR spacer acquisition from RNA. Nature, Published Online: 03 October 2018, doi:10.1038/s41586-018-0569-1.