研究人员正在利用CRISPR-Cas系统开发一种新的记录机制

不同的“事件”如病毒感染和暴露于环境毒素或其他形式的压力会改变基因的活性，从而在细胞中留下分子痕迹。这些变化主要发生在信使RNA(mRNA)水平。当基因被激活和读取时，这些分子编码遗传信息，这一过程称为转录。研究人员可以通过测量细胞中的mRNA分子来准确地研究基因的活性。但基因转录的痕迹消失的很快：mRNA高度不稳定，细胞往往在短时间后降解。

作为记录系统的环状DNA

生物系统科学与工程系的研究人员ETH Randall Platt和他的同事们现在开发了一种分子记录系统，可以将转录事件写入DNA，在那里可以永久存储，然后通过测序进行访问。

为了创造他们的“录音设备”，普拉特的博士生弗罗里安施密特和玛丽亚切列普科娃使用了CRISPR-Cas系统。CRIPSR-Cas是细菌和古细菌的适应性免疫系统。该系统通过记录感染细胞的病原体的遗传信息而起到免疫记忆装置的作用。这些遗传信息被记录在一个名为CRISPR array的特定DNA片段中——这个过程被称为获得。

基因信息就像一串珍珠。

CRISPR阵列可以存储来自病原体的短序列DNA，称为“间隔区”。间隔区被称为直接重复的短的相同的DNA序列彼此分开，就像串珠子一样。

研究人员利用肠道细菌大肠杆菌从不同的细菌物种中引入CRISPR-Cas系统的基因。其中一个Cas基因与逆转录酶融合，逆转录酶是一种利用RNA分子产生编码相同信息的DNA的酶——换句话说，它将RNA转录回DNA。

提供CRISPR-Cas外源基因的大肠杆菌细胞可以产生结合短mRNA分子的蛋白质复合物。逆转录酶将这些RNA间隔区翻译成DNA，包含与原始RNA相同的信息，然后存储在CRISPR阵列中。这个过程可以发生很多次，这样新的间隔子就按时间倒序加入到CRISPR阵列中，所以最近获得的DNA片段总是第一个。

原则上，这使得在CRISPR阵列中记录任意数量的间隔区成为可能。因为DNA非常稳定，里面记录的信息会保存很久，也会从一代细菌传给下一代。

“我们的系统是一个生物数据记录器。它记录了细菌对外部影响的遗传反应，使我们能够在多次细菌生产后获得这些信息”，该研究的第一作者弗罗里安施密特说，他最近在该杂志上发表了论文。大自然。

Ethall Platt教授说，“研究人员长期以来一直致力于创造合成细胞记忆的形式，但我们是第一个开发出可以记录细胞中每个基因表达的信息。”研究人员花了两年多的时间研究这个系统。

访问整个日志

到目前为止，研究人员只在一个快照中测量了mRNA。拍摄这些快照通常意味着破坏细胞，提取它们的mRNA，然后量化它们。相比之下，新的CRISPR-Cas RNA记录系统记录了细胞的历史，使研究人员能够有效地访问整个细胞日志，而不仅仅是某个时间点。

作为他们研究的一部分，ETH的研究人员用数据记录仪记录了大肠杆菌对除草剂百草枯的反应。这种物质引起细胞中mRNA转录的变化，科学家甚至可以在除草剂暴露几天后从CRISPR array中读取这种反应。如果没有数据记录器，细菌与除草剂接触的任何分子痕迹都会被破坏，信息也会丢失。

除了对研究目的感兴趣之外，这种生物数据记录器还可以被设想为用于测量环境毒素(例如除草剂)或用于诊断的传感器。这项研究有趣地证明了这种方法的可行性，但距离实际应用还有很长的路要走。Randall Platt在巴塞尔的研究团队一直致力于将该系统转移到其他细胞类型，并为其有效用作诊断工具铺平道路。

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