让 DNA 变身硬盘，记录细胞历史事件 | Science 论文推荐

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麻省理工学院（MIT）的生物工程师设计了一套在 DNA 中来记录人类细胞的复杂历史的系统这是首个可以记录人类细胞中事件持续时间和（或）强度的模拟记忆储存系统，它可以帮助科学家研究细胞在胚胎发育时如何分化、在环境条件下的状态，以及它们如何发生引发疾病的基因变化。

来源 麻省理工学院

撰文 Anne Trafton

翻译 卓思琪

审校 刘小鸥 谭坤

麻省理工学院（MIT）的生物工程师设计了一套在 DNA 中来记录人类细胞的复杂历史的系统。运用这套系统，研究者便可以通过对 DNA 测序得到细胞对各种事件的“记忆”，比如炎症过程。

这是首个可以记录人类细胞中事件持续时间和（或）强度的模拟记忆储存系统，它可以帮助科学家研究细胞在胚胎发育时如何分化、在环境条件下的状态，以及它们如何发生引发疾病的基因变化。

该研究已在线发表于2016年8月18日的《科学》（Science，论文信息见文末）。 论文的通讯作者，电子工程与计算科学，以及生物学助理教授 Timothy Lu 表示，为了深入了解细胞的运作方式，他们设计了能够基于基因编码记录仪报告自身历史的人类细胞。这一技术将为研究基因调节和胞内事件如何影响疾病与发育提供新的视野。

模拟内存

包括 Timothy Lu 在内的许多科学家都尝试过在活细胞中将事件数字信息化。他们利用重组酶，使细胞在发生特殊事件（例如暴露在特殊的化学环境中）时能够产生 DNA 翻转。但是，这种方法只能反映事件是否发生，却不能记录暴露时间和化学成分的浓度。

Lu 和其他一些研究者之前设计出了能够记录细菌模拟信息的一些方法，但至今为止都未能成功的应用于人类细胞。

MIT采用了新的一种途径，即 CRISPR 基因组编辑系统。该系统包括一种叫做Cas9 的酶和一小段 RNA 引导链。在这段 RNA 的引导下，Cas9 到达基因组中特定的位置，然后将其切断。  

目前，CRISPR 被广泛应用于基因编辑，但 MIT 却别出心裁的将其用在了细胞的记忆储存上。在细菌中，CRISPR 系统在病毒入侵时记录下入侵历史，从而使细胞能够识别并清除入侵病毒。

论文作者 Perli 表示，他们想要采用 CRISPR 在人类基因组中储存信息。利用 CRISPR 编辑基因的时候，研究者通常会创造出一段 RNA 引导链，去匹配生物体中的目标序列。而 Perli 等人为了编码记忆采取了不一样的方法：他们设计了自我靶向引导 RNA ”（self-targeting guide RNA），使得该 RNA 能够识别编码引导链的 DNA。

通过自我靶向引导 RNA 的引导，Cas9 便能够剪切这段 DNA, 使其产生变异，达到永久记录事件时间的目的。变异后的 DNA 可以产生新的自我靶向引导 RNA 引导 Cas9 再次进行剪切，从而让变异累积。只要 Cas9 还有活性，RNA 引导链得到表达，这个过程便会持续下去。

这个系统通过用特定生物事件传感器来调控 Cas9 或者自我靶向引导 RNA 的活性，随着事件的积累，这个系统不断积累相应的变异，从而创造了基因编码记忆。

例如，研究者设计了一种基因回路，使得 Cas9 只在靶分子（例如 TNF-α，该分子通常由免疫细胞在发炎的时候产生）存在时才表达，只要 TNF-α 存在，Cas9 切断编码引导序列的 DNA，从而产生突变。且 TNF-α 存在的时间越长或其浓度越高，DNA 序列中累积的变异就会越多。

最后通过测序该 DNA，研究者便可以确认TNF-α 的存在持续时间、浓度等。

作者表示，他们希望能在活体动物中测试这套系统，在小鼠活细胞中记录和提取信息将会帮助解决多种生物学问题。研究者已证明这个系统可以记录小鼠的炎症反应。

变异常会导致部分 DNA 的删除，由于引导链太短将无法发挥功能，研究者所设计的 RNA 引导链一般长于 20 个核苷酸，具有 40 个核苷酸的引导链可以记录长达一个月历史。研究者还设计出了具有 70 个核苷酸的序列，它可以记录更长的时间。

追踪发育和疾病

研究者还证实，他们能够利用同一细胞中的多重自我靶向 RNA 引导链，设计出检测记录超过一种输入的细胞。每种 RNA 引导链和一种特定的输入信号是相关联的，他们只会在特定信号输入的时候产生。在该项研究中，研究者发现这些 RNA 可以记录多西环素抗生素和 IPTG 分子的存在。

目前该种方法很可能用于人类细胞、组织或人造器官的研究当中。科学家能够通过编辑细胞来记录多个事件监控发炎、感染或者癌症进程。另外，该项技术同样可以对动物从胚胎到成年的细胞的分化进行跟踪。

Perli 说：“在这项技术的帮助下，我们可以拥有多个的细胞记忆管理员，用于记录细胞暴露于环境中的不同信号的历史。我们不仅能了解接受这些信号的时间，也能知道这些信号的强度。使用这个方法，我们将更进一步的了解发育过程。”

原文链接：

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论文基本信息

【题目】Continuous geneticrecording with self-targeting CRISPR-Cas in human cells

【作者】Samuel D. Perli, CherylH. Cui, Timothy K. Lu

【期刊】Science

【日期】2016,8,18

【DOI】10.1126/science.aag0511

【摘要】The ability to recordmolecular events in vivo would enable monitoring of signaling dynamics within cellularniches and critical factors that orchestrate cellular behavior. We present aself-contained analog memory device for longitudinal recording of molecularstimuli into DNA mutations in human cells. This device consists of aself-targeting guide RNA (stgRNA) that repeatedly directs Streptococcuspyogenes Cas9 nuclease activity toward the DNA that encodes the stgRNA,thereby enabling localized, continuous DNA mutagenesis as a function of stgRNAexpression. We demonstrate programmable and multiplexed memory storage in humancells triggered by exogenous inducers or inflammation, both in vitro and invivo. This tool, Mammalian Synthetic Cellular Recorder Integrating BiologicalEvents (mSCRIBE), provides a unique strategy for investigating cell biology invivo and enables continuous evolution of targeted DNA sequences.

【链接】 http://science.sciencemag.org/content/early/2016/08/17/science.aag0511

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