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细胞的记忆藏在基因里!科学家利用 CRISPR 技术从 DNA 看出细胞的故事

细胞的记忆藏在基因里!科学家利用 CRISPR 技术从 DNA 看出细胞的故事

渊源久远的基因可能留有过往演化带来的影响。来自美国麻省理工学院的生物工程师团队设计了一个记忆储存系统,能够在人类细胞 DNA 中记录曾经发生过的事件,并且利用 DNA 定序找出过去曾经发生的例如发炎现象等事件。细胞曾经历过哪些环境改变,或者发生过基因改变等事件,都能够透过这样的系统记录并重现,也能让科学家们得以了解各种不同组织的细胞如何从最初的胚胎中开始分化成长。

这项研究在 8 月 18 日发表于科学期刊 Science 网路版,资深作者 Timothy Lu 是电子工程与资讯科学及生物工程学助理教授,他所带领的麻省理工学院电子学研究室中合成生物组的研究者们,为了更加了解生物的状态,利用细胞基因中原本就带有的纪录,让细胞的「记忆」能够如实告诉我们曾经发生的事,而这项技术能够让基因调控的纪录和细胞如何发育或者生病都能被我们看见。

包含 Lu 在内的许多科学家都曾经设计过能够透过数位资讯纪录活细胞状态的系统,他们所运用的是一种被称为重组酶(recombinases)的酵素,让细胞内的 DNA 在接触化学物质或遇到某些特定状况时翻转出来,以此来记录细胞中的事件。但这项技术只能记录特定事件是否发生过,却无法知道过程经历了多久时间。科学家们曾经将这样的技术运用在细菌之上,但到目前为止都还没有人能将之运用至人类细胞上。

这项新技术的核心概念是来自一项被称为 CRISPR 的基因编辑系统,这个系统中包含了一个被称为 Cas9 的 DNA 截切酶,和被称为嚮导 RNA(guide RNA, gRNA)的一股负责将 Cas9 带到特定需要被截切基因上的短 RNA 片段。

CRISPR 在近年来广泛的被科学家运用于各种基因编辑需求,但是来自麻省理工学院的这组研究团队却将它运用到细胞记忆的技术。CRISPR 本来就是源自于细菌的免疫系统,它的原理是当外来基因或者病毒入侵细菌时,CRISPR 系统会将入侵者的一段 DNA 切下来并接在自己的基因上保存,这段外来基因嵌入细菌基因后就像细菌拥有了记忆,能够记得曾经的入侵者,等到下一次再被同样的入侵者攻击时,细菌就能够依照之前所「记忆」下来的基因片段,转录(transcript)出能够抑制入侵者基因的 RNA。而研究团队就是希望利用 CRISPR 系统中能够储存资讯的这项特性,也套用在人类基因组上。

通常以 CRISPR 进行基因编辑时,研究者会设计好能够辨认基因组上特定位置的嚮导 RNA,使实验得以进行。但在这项研究中,研究团队将他们所设计的嚮导 RNA 序列称为「自我辨识嚮导 RNA」(self-targeting guide RNA),也就是说这段嚮导 RNA 所辨认的位置是能够转录出和自己序列相同的 RNA 序列的 DNA 位置。

这段嚮导 RNA 会辨识和自己本身序列相似的位置,进而将 Cas9 带至该位置进行截切,该位置产生突变之后就相当于在基因组内留下永久纪录。而一旦 DNA 序列上製造嚮导 RNA 的部分出现突变,CRISPR 系统就会产生新的嚮导 RNA,让新的嚮导 RNA 能够辨识到突变的位置,Cas9 也能够再次对该位置进行截切再产生下一个突变。于是,突变的累积就能够被保存下来。

这套系统能记录多种资讯

在这样的基础上,再设计让生物内的感应系统能够在感受到特定生物事件时调控 Cas9 或嚮导 RNA 的活性,如此一来这整套系统便能够不断地在特定事件发生时累积突变,藉此记录细胞的生理状况。

例如,研究团队设计让 Cas9 只会在有 TNF-α(tumor necrosis factor,肿瘤坏死因子的一种)这个发炎反应会产生的生物分子出现的状况下才表现,一旦 TNF-α 出现,Cas9 就会随之出现并在製造嚮导 RNA 的 DNA 序列上製造切口并产生突变。TNF-α 出现的时间越长或者浓度越高,DNA 序列上就会累积越多的突变。之后科学家再以 DNA 定序将 DNA 序列解出,就能够透过序列分析得知 TNF-α 出现的时间以及影响程度。

由于大多的突变最后是导致部分的 DNA 序列被删除,因此研究团队设计的嚮导 RNA 比一般的 20 个核苷酸还要长,让这些嚮导 RNA 不会突变累积越来越多而变得太短进而失去功能。大约 40 个核甘酸的长度便足以记录一个月的讯息,研究团队甚至设计了长达 70 个核甘酸的序列的嚮导 RNA 让细胞能够记录更多的生物讯息。

除了在细菌内或细胞株中进行实验之外,研究团队更希望能在活动物体内也能有所运用。能够从活动物体内记录并且提取资讯,将能够提供许多有用的资讯,并帮助未来更多方面的运用及研究。而目前这套系统已经能够在老鼠细胞内记录发炎情形。

研究团队让这套系统不只能记录一种资讯,他们在同一个细胞内设计了更多种的自我辨识嚮导 RNA,每一种都代表着一种情况的讯号,并且只会在特定的那一种情况下出现并作用。在这项研究中,研究团队已经成功的在同一个细胞内记录四环霉素(doxycycline,一种抗生素)和 IPTG 分子(Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside,异丙基 -β-D-硫代吡喃半乳糖苷,广泛运用于诱导细菌的外源基因表达)的出现情形。

研究团队认为,目前这套系统最有可能被用于人类细胞、组织或器官的相关研究,科学家能够运用这套系统追蹤监测发炎、感染甚至是癌症进程。除此之外,也能够用来追蹤细胞从胚胎开始发育直至分化成各种组织成长成熟的过程。

这项技术能够记录的讯息种类多样,可以同时记录不同的讯号,再加上各个讯号都有强弱以及长度的差别,所获得的资料非常有意义,能够看出已发生的事件之外,细胞内正在发生的事件或者未来可能的走向也能藉此被了解并加以研究。

P翼生活 433℃ 71评论
细胞的记忆藏在基因里!科学家利用 CRISPR 技术从 DNA 看出细胞的故事

渊源久远的基因可能留有过往演化带来的影响。来自美国麻省理工学院的生物工程师团队设计了一个记忆储存系统,能够在人类细胞 DNA 中记录曾经发生过的事件,并且利用 DNA 定序找出过去曾经发生的例如发炎现象等事件。细胞曾经历过哪些环境改变,或者发生过基因改变等事件,都能够透过这样的系统记录并重现,也能让科学家们得以了解各种不同组织的细胞如何从最初的胚胎中开始分化成长。

这项研究在 8 月 18 日发表于科学期刊 Science 网路版,资深作者 Timothy Lu 是电子工程与资讯科学及生物工程学助理教授,他所带领的麻省理工学院电子学研究室中合成生物组的研究者们,为了更加了解生物的状态,利用细胞基因中原本就带有的纪录,让细胞的「记忆」能够如实告诉我们曾经发生的事,而这项技术能够让基因调控的纪录和细胞如何发育或者生病都能被我们看见。

包含 Lu 在内的许多科学家都曾经设计过能够透过数位资讯纪录活细胞状态的系统,他们所运用的是一种被称为重组酶(recombinases)的酵素,让细胞内的 DNA 在接触化学物质或遇到某些特定状况时翻转出来,以此来记录细胞中的事件。但这项技术只能记录特定事件是否发生过,却无法知道过程经历了多久时间。科学家们曾经将这样的技术运用在细菌之上,但到目前为止都还没有人能将之运用至人类细胞上。

这项新技术的核心概念是来自一项被称为 CRISPR 的基因编辑系统,这个系统中包含了一个被称为 Cas9 的 DNA 截切酶,和被称为嚮导 RNA(guide RNA, gRNA)的一股负责将 Cas9 带到特定需要被截切基因上的短 RNA 片段。

CRISPR 在近年来广泛的被科学家运用于各种基因编辑需求,但是来自麻省理工学院的这组研究团队却将它运用到细胞记忆的技术。CRISPR 本来就是源自于细菌的免疫系统,它的原理是当外来基因或者病毒入侵细菌时,CRISPR 系统会将入侵者的一段 DNA 切下来并接在自己的基因上保存,这段外来基因嵌入细菌基因后就像细菌拥有了记忆,能够记得曾经的入侵者,等到下一次再被同样的入侵者攻击时,细菌就能够依照之前所「记忆」下来的基因片段,转录(transcript)出能够抑制入侵者基因的 RNA。而研究团队就是希望利用 CRISPR 系统中能够储存资讯的这项特性,也套用在人类基因组上。

通常以 CRISPR 进行基因编辑时,研究者会设计好能够辨认基因组上特定位置的嚮导 RNA,使实验得以进行。但在这项研究中,研究团队将他们所设计的嚮导 RNA 序列称为「自我辨识嚮导 RNA」(self-targeting guide RNA),也就是说这段嚮导 RNA 所辨认的位置是能够转录出和自己序列相同的 RNA 序列的 DNA 位置。

这段嚮导 RNA 会辨识和自己本身序列相似的位置,进而将 Cas9 带至该位置进行截切,该位置产生突变之后就相当于在基因组内留下永久纪录。而一旦 DNA 序列上製造嚮导 RNA 的部分出现突变,CRISPR 系统就会产生新的嚮导 RNA,让新的嚮导 RNA 能够辨识到突变的位置,Cas9 也能够再次对该位置进行截切再产生下一个突变。于是,突变的累积就能够被保存下来。

这套系统能记录多种资讯

在这样的基础上,再设计让生物内的感应系统能够在感受到特定生物事件时调控 Cas9 或嚮导 RNA 的活性,如此一来这整套系统便能够不断地在特定事件发生时累积突变,藉此记录细胞的生理状况。

例如,研究团队设计让 Cas9 只会在有 TNF-α(tumor necrosis factor,肿瘤坏死因子的一种)这个发炎反应会产生的生物分子出现的状况下才表现,一旦 TNF-α 出现,Cas9 就会随之出现并在製造嚮导 RNA 的 DNA 序列上製造切口并产生突变。TNF-α 出现的时间越长或者浓度越高,DNA 序列上就会累积越多的突变。之后科学家再以 DNA 定序将 DNA 序列解出,就能够透过序列分析得知 TNF-α 出现的时间以及影响程度。

由于大多的突变最后是导致部分的 DNA 序列被删除,因此研究团队设计的嚮导 RNA 比一般的 20 个核苷酸还要长,让这些嚮导 RNA 不会突变累积越来越多而变得太短进而失去功能。大约 40 个核甘酸的长度便足以记录一个月的讯息,研究团队甚至设计了长达 70 个核甘酸的序列的嚮导 RNA 让细胞能够记录更多的生物讯息。

除了在细菌内或细胞株中进行实验之外,研究团队更希望能在活动物体内也能有所运用。能够从活动物体内记录并且提取资讯,将能够提供许多有用的资讯,并帮助未来更多方面的运用及研究。而目前这套系统已经能够在老鼠细胞内记录发炎情形。

研究团队让这套系统不只能记录一种资讯,他们在同一个细胞内设计了更多种的自我辨识嚮导 RNA,每一种都代表着一种情况的讯号,并且只会在特定的那一种情况下出现并作用。在这项研究中,研究团队已经成功的在同一个细胞内记录四环霉素(doxycycline,一种抗生素)和 IPTG 分子(Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside,异丙基 -β-D-硫代吡喃半乳糖苷,广泛运用于诱导细菌的外源基因表达)的出现情形。

研究团队认为,目前这套系统最有可能被用于人类细胞、组织或器官的相关研究,科学家能够运用这套系统追蹤监测发炎、感染甚至是癌症进程。除此之外,也能够用来追蹤细胞从胚胎开始发育直至分化成各种组织成长成熟的过程。

这项技术能够记录的讯息种类多样,可以同时记录不同的讯号,再加上各个讯号都有强弱以及长度的差别,所获得的资料非常有意义,能够看出已发生的事件之外,细胞内正在发生的事件或者未来可能的走向也能藉此被了解并加以研究。

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