讓 DNA 變身硬碟，記錄細胞歷史事件

麻省理工學院（MIT）的生物工程師設計了一套在 DNA 中來記錄人類細胞的複雜歷史的系統這是首個可以記錄人類細胞中事件持續時間和（或）強度的模擬記憶儲存系統，它可以幫助科學家研究細胞在胚胎髮育時如何分化、在環境條件下的狀態，以及它們如何發生引發疾病的基因變化。

來源 麻省理工學院

撰文 Anne Trafton

翻譯 卓思琪

審校 劉小鷗 譚坤

麻省理工學院（MIT）的生物工程師設計了一套在 DNA 中來記錄人類細胞的複雜歷史的系統。運用這套系統，研究者便可以通過對 DNA 測序得到細胞對各種事件的「記憶」，比如炎症過程。

這是首個可以記錄人類細胞中事件持續時間和（或）強度的模擬記憶儲存系統，它可以幫助科學家研究細胞在胚胎髮育時如何分化、在環境條件下的狀態，以及它們如何發生引發疾病的基因變化。

該研究已在線發表於2016年8月18日的《科學》（Science，論文信息見文末）。 論文的通訊作者，電子工程與計算科學，以及生物學助理教授 Timothy Lu 表示，為了深入了解細胞的運作方式，他們設計了能夠基於基因編碼記錄儀報告自身歷史的人類細胞。這一技術將為研究基因調節和胞內事件如何影響疾病與發育提供新的視野。

模擬內存

包括 Timothy Lu 在內的許多科學家都嘗試過在活細胞中將事件數字信息化。他們利用重組酶，使細胞在發生特殊事件（例如暴露在特殊的化學環境中）時能夠產生 DNA 翻轉。但是，這種方法只能反映事件是否發生，卻不能記錄暴露時間和化學成分的濃度。

Lu 和其他一些研究者之前設計出了能夠記錄細菌模擬信息的一些方法，但至今為止都未能成功的應用於人類細胞。

MIT採用了新的一種途徑，即CRISPR 基因組編輯系統。該系統包括一種叫做Cas9 的酶和一小段 RNA 引導鏈。在這段 RNA 的引導下，Cas9 到達基因組中特定的位置，然後將其切斷。

目前，CRISPR 被廣泛應用於基因編輯，但 MIT 卻別出心裁的將其用在了細胞的記憶儲存上。在細菌中，CRISPR 系統在病毒入侵時記錄下入侵歷史，從而使細胞能夠識別並清除入侵病毒。

論文作者 Perli 表示，他們想要採用 CRISPR 在人類基因組中儲存信息。利用 CRISPR 編輯基因的時候，研究者通常會創造出一段 RNA 引導鏈，去匹配生物體中的目標序列。而 Perli 等人為了編碼記憶採取了不一樣的方法：他們設計了「自我靶向引導 RNA 」（self-targeting guide RNA），使得該 RNA 能夠識別編碼引導鏈的 DNA。

通過自我靶向引導 RNA 的引導，Cas9 便能夠剪切這段 DNA, 使其產生變異，達到永久記錄事件時間的目的。變異後的 DNA 可以產生新的自我靶向引導 RNA 引導 Cas9 再次進行剪切，從而讓變異累積。只要 Cas9 還有活性，RNA 引導鏈得到表達，這個過程便會持續下去。

這個系統通過用特定生物事件感測器來調控 Cas9 或者自我靶向引導 RNA 的活性，隨著事件的積累，這個系統不斷積累相應的變異，從而創造了基因編碼記憶。

例如，研究者設計了一種基因迴路，使得 Cas9 只在靶分子（例如 TNF-α，該分子通常由免疫細胞在發炎的時候產生）存在時才表達，只要 TNF-α 存在，Cas9 切斷編碼引導序列的 DNA，從而產生突變。且 TNF-α 存在的時間越長或其濃度越高，DNA 序列中累積的變異就會越多。

最後通過測序該 DNA，研究者便可以確認TNF-α 的存在持續時間、濃度等。

作者表示，他們希望能在活體動物中測試這套系統，在小鼠活細胞中記錄和提取信息將會幫助解決多種生物學問題。研究者已證明這個系統可以記錄小鼠的炎症反應。

變異常會導致部分 DNA 的刪除，由於引導鏈太短將無法發揮功能，研究者所設計的 RNA 引導鏈一般長於 20 個核苷酸，具有 40 個核苷酸的引導鏈可以記錄長達一個月歷史。研究者還設計出了具有 70 個核苷酸的序列，它可以記錄更長的時間。

追蹤發育和疾病

研究者還證實，他們能夠利用同一細胞中的多重自我靶向 RNA 引導鏈，設計出檢測記錄超過一種輸入的細胞。每種 RNA 引導鏈和一種特定的輸入信號是相關聯的，他們只會在特定信號輸入的時候產生。在該項研究中，研究者發現這些 RNA 可以記錄多西環素抗生素和 IPTG 分子的存在。

目前該種方法很可能用於人類細胞、組織或人造器官的研究當中。科學家能夠通過編輯細胞來記錄多個事件監控發炎、感染或者癌症進程。另外，該項技術同樣可以對動物從胚胎到成年的細胞的分化進行跟蹤。

Perli 說：「在這項技術的幫助下，我們可以擁有多個的細胞記憶管理員，用於記錄細胞暴露於環境中的不同信號的歷史。我們不僅能了解接受這些信號的時間，也能知道這些信號的強度。使用這個方法，我們將更進一步的了解發育過程。」

論文基本信息

【題目】Continuous geneticrecording with self-targeting CRISPR-Cas in human cells

【作者】Samuel D. Perli, CherylH. Cui, Timothy K. Lu

【期刊】Science

【日期】2016,8,18

【DOI】10.1126/science.aag0511

【摘要】The ability to recordmolecular events in vivo would enable monitoring of signaling dynamics within cellularniches and critical factors that orchestrate cellular behavior. We present aself-contained analog memory device for longitudinal recording of molecularstimuli into DNA mutations in human cells. This device consists of aself-targeting guide RNA (stgRNA) that repeatedly directs Streptococcuspyogenes Cas9 nuclease activity toward the DNA that encodes the stgRNA,thereby enabling localized, continuous DNA mutagenesis as a function of stgRNAexpression. We demonstrate programmable and multiplexed memory storage in humancells triggered by exogenous inducers or inflammation, both in vitro and invivo. This tool, Mammalian Synthetic Cellular Recorder Integrating BiologicalEvents (mSCRIBE), provides a unique strategy for investigating cell biology invivo and enables continuous evolution of targeted DNA sequences.

【鏈接】 http://science.sciencemag.org/content/early/2016/08/17/science.aag0511

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