Science：哈佛团队带来CRISPR新应用：给细胞活动照张相
2018-02-27 DeepTech深科技 生物探索
日前，来自哈佛大学的化学家刘如谦（David Liu）和博士后Weixin Tang利用革命性基因编辑工具CRISPR打造出了一个“细胞记录仪”。相关成果发表在顶级期刊Science杂志上。
日前，来自哈佛大学的化学家刘如谦（David Liu）和博士后Weixin Tang利用革命性基因编辑工具CRISPR打造出了一个“细胞记录仪”。相关成果发表在顶级期刊Science杂志上。
正如黑匣子能记录事故发生时的飞机状态，警察的随身相机能还原现场，生物学家们也希望能发明一种数据记录仪，来记录细胞变化时的内部活动。这样一来，我们就有机会阐明癌症、衰老、环境对生物的作用以及胚胎发育等过程。
科学家们曾经作出过很多尝试，例如，把某一特定基因和有效的荧光蛋白基因联系在一起以实现追踪效果，或使用重组酶来修饰基因序列；但这些方法存在各种问题，比如记录的信息无法遗传到下一代细胞，或无法记录信号的强度与时间。
现在，科学家利用革命性基因编辑工具CRISPR打造出了一个“细胞记录仪”，完美地解决了上述问题。本周的《Science》在线刊登了来自哈佛大学的化学家刘如谦（David Liu）和博士后Weixin Tang的成果，揭示了这个他们称之为”CRISPR介导”的模拟多事件记录装置“CAMERA”。
为了进一步说明该技术，研究人员们对细胞进行光照、注射抗生素、病毒感染，皆能够观察到 CAMERA 记录的细胞改变。“这项研究的亮点是人们如何利用CRISPR 技术来阐明细胞通路”，加州大学伯克利分校的生物工程师 Dave Savage说道。
CRISPR 的初始作用为定位并切割双螺旋DNA，自发明以来广泛用于基因敲除与基因编辑。CRISPR/Cas9 系统是其中最为成熟的工具，该系统由向导 RNA 和 Cas9 酶组成，前者能特异性的识别 DNA 序列，而后者负责剪切识别位点。而“ CAMERA ”的机制则为，外来的刺激信号会作用于 CRISPR 系统，使其对遗传信息进行改变，通过记录这种变化能够得知细胞受到的刺激。
CAMERA 的第一种形式利用了质粒的特性：质粒为细菌的遗传物质，是一种环状的 DNA，能够在细胞质中自我复制但严格保持一定的种群数目。
记录仪包含了两种质粒 R1 和 R2，两者初始比例是稳定的。记录仪还含有一种特殊的质粒，该质粒被引入了含有 CRISPR 组分的基因，当细胞受到外来刺激时，能激活该质粒，并在细胞内转录或翻译出向导 RNA 和 Cas9 酶，作用于 R1 质粒，使其数目发生变化。例如，在研究者们进行的一项测试中，当他们把一抗生素激活的 CAMERA 系统装于细菌中，通过测序细菌并记录 R1：R2 的变化，研究者们便能够知道细胞暴露于药物的时长。
CAMERA 的第二种形式则使用了修饰过的Cas9酶，该酶不能切割双螺旋，但却能作用于胞嘧啶使其转化为胸腺嘧啶，两者都为DNA四种碱基之一。当CRISPR系统被激活时，向导RNA把Cas9酶一同定位至一类被叫做“安全港”的基因，这类基因的DNA能够被任意改变而不损害细胞。研究者们能通过观察“安全港”基因胞嘧啶的改变情况，间接记录信号作用的强度。例如，在另一项测试中，研究者们通过激活Wnt通路（该通路在胚胎发育和癌症发生中发挥着重要的作用），使CAMERA开启，以记录刺激信号对Wnt通路的作用。
除了CAMERA外，其他的研究人员也利用CRISPR发明了记录装置，如麻省理工学院的卢冠达（Timothy Lu）。但卢冠达表示，他的发明仅限于细菌，并且相比CAMERA，需要“一个数量级”更多的细胞作为样本来记录信号，信噪比也更差。
CAMERA 能够在包含仅10个细胞的样本中工作，其意义至关重大。因为所需细胞越少，代表着测量精确度也越高。
以研究大脑为例，哈佛大学遗传学家George Church指出：“如果想要绘制一幅大脑活动图，每一个细胞都不同且至关重要。”
同时，如前文所述，CAMERA 的另一个重要意义在于，它能够记录信号作用的时间与强度。以癌症为例，这能帮助我们观测细胞在不同阶段对不同信号的响应情况，以阐明其增殖机理。Church 表示：“理想情况是有一个单分子自动记录仪，能记录可读的 DNA 序列，并告诉你在整段时间中每个细胞在发生着什么。”
CAMERA 还有其他潜在的功能，例如清除已记录的信息、通过药物“重置”质粒比等。CAMERA还可已同时或先后记录几个不同的信号对细胞的作用。但是对于这个拥挤的生物记录领域，想要 CAMERA 证明自己的价值，研究人员必须要证明它能够在动物体内也发挥作用，而不只是在刘如谦的Wnt实验中。
“真正的能力尚未释放”，Savage 说，“杀手级的应用需拭目以待。”
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