細(xì)胞上的新型鏡頭

編譯 張茜

《科學(xué)》在線雜志上，來自哈佛大學(xué)的化學(xué)家劉如謙（David Liu）和博士后唐衛(wèi)新（Weixin Tang）宣布了兩種被他們稱為“CRISPR-介導(dǎo)的模擬多事件錄音設(shè)備”或“照相機(jī)”的工具。在概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，他們分別展示了該工具如何在細(xì)菌和人類細(xì)胞中記錄光照、抗生素和病毒感染或內(nèi)部分子事件。

這種叫作“照相機(jī)”的研究工具可以對(duì)細(xì)胞進(jìn)行改造，利用“安全港”基因的DNA來記錄由各種刺激激發(fā)產(chǎn)生的信號(hào)。

劉如謙想要得到更干凈的讀數(shù)。“我們想避開這種隨機(jī)混雜的數(shù)據(jù)。要解讀你的研究發(fā)現(xiàn)非常困難?！彼膱F(tuán)隊(duì)不僅想要記錄細(xì)胞是否經(jīng)歷了刺激，還想要記錄該刺激的強(qiáng)度以及持續(xù)了多長時(shí)間。例如，為了更好地理解癌癥，劉說，“我們希望能夠看到處于某特定狀態(tài)的細(xì)胞是否會(huì)聽從或忽視刺激信號(hào)，從而停止生長?！?/p>

另一種“照相機(jī)”利用了細(xì)菌的特性：細(xì)菌擁有漂浮在細(xì)胞質(zhì)中的環(huán)狀“質(zhì)?！盌NA，可以進(jìn)行自我復(fù)制，但會(huì)嚴(yán)格控制其菌群大小。研究人員引入了兩個(gè)“記錄儀”質(zhì)粒，R1和R2，它們以穩(wěn)定的比例“駐扎”在細(xì)菌內(nèi)。然后，他們制造了一個(gè)單獨(dú)的質(zhì)粒，該質(zhì)粒含有CRISPR的組分基因——一個(gè)靶向特定DNA序列以及可切割雙螺旋的Cas9酶的“向?qū)А盧NA（gRNA）。這些基因被設(shè)計(jì)成當(dāng)細(xì)胞經(jīng)歷一種特定的刺激時(shí)即能發(fā)揮作用，靶向R1。在一項(xiàng)測試中，他們給細(xì)菌配備了一種抗生素激活的“照相機(jī)”。通過將質(zhì)粒進(jìn)行排序并記錄R1：R2比率的變化，他們就能知道這些細(xì)胞暴露在藥物中有多長時(shí)間了。

第二個(gè)“照相機(jī)”使用的是修飾過的不具有切斷雙螺旋結(jié)構(gòu)功能的Cas9，它與一種酶有關(guān)，這種酶可以將4種DNA堿基之一的胞嘧啶轉(zhuǎn)換為另一種胸腺嘧啶。為了記錄事件，gRNA把這個(gè)所謂的堿基編輯器擺渡給一個(gè)“安全港”基因，該基因的DNA可以在不對(duì)細(xì)胞造成損傷的情況下被改變。研究人員再次調(diào)整系統(tǒng)以響應(yīng)特定的信號(hào)。作為測試實(shí)驗(yàn)，他們刺激人類細(xì)胞激活Wnt信號(hào)通路，該信號(hào)通路在胚胎發(fā)育和癌癥的發(fā)展中起著重要作用。在Wnt信號(hào)通路激活的情況下，“照相機(jī)”打開了，登記記錄安全港基因中那些信號(hào)。

“照相機(jī)”能夠在包含僅有10個(gè)細(xì)胞的樣品中工作，接近記錄單個(gè)細(xì)胞活動(dòng)的目標(biāo)?！叭绻阍诶L制大腦活動(dòng)圖，那么每個(gè)細(xì)胞都是不同的故事?！惫鸫髮W(xué)的遺傳學(xué)家喬治·丘奇（George Church）說道。他的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開發(fā)出了基于CRISPR的錄音設(shè)備?！袄硐肭闆r下，你會(huì)得到一個(gè)不錯(cuò)的單分子記錄，記錄著你可以讀出的一段DNA序列，它會(huì)告訴你每個(gè)細(xì)胞在其功能時(shí)間內(nèi)發(fā)生了什么?！?/p>

“照相機(jī)”還擁有其他一些潛在的有用功能，比如它可以利用藥物將質(zhì)粒比例“重置”為基底水平，從而把自己的記錄信息抹除?！罢障鄼C(jī)”也可以同時(shí)或陸續(xù)記錄多個(gè)不同的信號(hào)。但為了證明“照相機(jī)”在“人才濟(jì)濟(jì)”的生物記錄學(xué)領(lǐng)域的價(jià)值，研究人員必須證明，它可以在被改造過的動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)揮作用——而不僅僅能在劉的Wnt實(shí)驗(yàn)使用的細(xì)胞系中發(fā)揮作用。