哈佛團隊帶來CRISPR新應用：給細胞活動照張相

本文轉載自「DeepTech深科技」。

正如黑匣子能記錄事故發生時的飛機狀態，警察的隨身相機能還原現場，生物學家們也希望能發明一種數據記錄儀，來記錄細胞變化時的內部活動。這樣一來，我們就有機會闡明癌症、衰老、環境對生物的作用以及胚胎髮育等過程。

科學家們曾經作出過很多嘗試，例如，把某一特定基因和有效的熒光蛋白基因聯繫在一起以實現追蹤效果，或使用重組酶來修飾基因序列；但這些方法存在各種問題，比如記錄的信息無法遺傳到下一代細胞，或無法記錄信號的強度與時間。

現在，科學家利用革命性基因編輯工具CRISPR打造出了一個「細胞記錄儀」，完美地解決了上述問題。本周的《Science》在線刊登了來自哈佛大學的化學家劉如謙（David Liu）和博士後Weixin Tang的成果，揭示了這個他們稱之為」CRISPR介導」的模擬多事件記錄裝置「CAMERA」。

圖丨David Liu

為了進一步說明該技術，研究人員們對細胞進行光照、注射抗生素、病毒感染，皆能夠觀察到 CAMERA 記錄的細胞改變。「這項研究的亮點是人們如何利用CRISPR 技術來闡明細胞通路」，加州大學伯克利分校的生物工程師 Dave Savage說道。

CRISPR 的初始作用為定位並切割雙螺旋DNA，自發明以來廣泛用於基因敲除與基因編輯。CRISPR/Cas9 系統是其中最為成熟的工具，該系統由嚮導 RNA 和 Cas9 酶組成，前者能特異性的識別 DNA 序列，而後者負責剪切識別位點。而「 CAMERA 」的機制則為，外來的刺激信號會作用於 CRISPR 系統，使其對遺傳信息進行改變，通過記錄這種變化能夠得知細胞受到的刺激。

CAMERA 的第一種形式利用了質粒的特性：質粒為細菌的遺傳物質，是一種環狀的 DNA，能夠在細胞質中自我複製但嚴格保持一定的種群數目。

記錄儀包含了兩種質粒 R1 和 R2，兩者初始比例是穩定的。記錄儀還含有一種特殊的質粒，該質粒被引入了含有 CRISPR 組分的基因，當細胞受到外來刺激時，能激活該質粒，並在細胞內轉錄或翻譯出嚮導 RNA 和 Cas9 酶，作用於 R1 質粒，使其數目發生變化。例如，在研究者們進行的一項測試中，當他們把一抗生素激活的 CAMERA 系統裝於細菌中，通過測序細菌並記錄 R1:R2 的變化，研究者們便能夠知道細胞暴露於藥物的時長。

（來源：Science 官網）

CAMERA 的第二種形式則使用了修飾過的Cas9酶，該酶不能切割雙螺旋，但卻能作用於胞嘧啶使其轉化為胸腺嘧啶，兩者都為DNA四種鹼基之一。當CRISPR系統被激活時，嚮導RNA把Cas9酶一同定位至一類被叫做「安全港」的基因，這類基因的DNA能夠被任意改變而不損害細胞。研究者們能通過觀察「安全港」基因胞嘧啶的改變情況，間接記錄信號作用的強度。例如，在另一項測試中，研究者們通過激活Wnt通路（該通路在胚胎髮育和癌症發生中發揮著重要的作用），使CAMERA開啟，以記錄刺激信號對Wnt通路的作用。

圖丨盧冠達

除了CAMERA外，其他的研究人員也利用CRISPR發明了記錄裝置，如麻省理工學院的盧冠達（Timothy Lu）。但盧冠達表示，他的發明僅限於細菌，並且相比CAMERA，需要「一個數量級」更多的細胞作為樣本來記錄信號，信噪比也更差。

CAMERA 能夠在包含僅10個細胞的樣本中工作，其意義至關重大。因為所需細胞越少，代表著測量精確度也越高。

以研究大腦為例，哈佛大學遺傳學家George Church指出：「如果想要繪製一幅大腦活動圖，每一個細胞都不同且至關重要。」

同時，如前文所述，CAMERA 的另一個重要意義在於，它能夠記錄信號作用的時間與強度。以癌症為例，這能幫助我們觀測細胞在不同階段對不同信號的響應情況，以闡明其增殖機理。Church 表示：「理想情況是有一個單分子自動記錄儀，能記錄可讀的 DNA 序列，並告訴你在整段時間中每個細胞在發生著什麼。」

CAMERA 還有其他潛在的功能，例如清除已記錄的信息、通過藥物「重置」質粒比等。CAMERA還可已同時或先後記錄幾個不同的信號對細胞的作用。但是對於這個擁擠的生物記錄領域，想要 CAMERA 證明自己的價值，研究人員必須要證明它能夠在動物體內也發揮作用，而不只是在劉如謙的Wnt實驗中。

「真正的能力尚未釋放」，Savage 說，「殺手級的應用需拭目以待。」

End

參考資料：1）http://www.sciencemag.org/news/2018/02/genome-editor-crispr-s-latest-trick-offering-sharper-snapshot-activity-inside-cell

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