不同的“事件”，如病毒感染和暴露于環(huán)境毒素或其他形式的壓力，會(huì)改變基因的活性，從而在細(xì)胞中留下分子痕跡。這些變化主要發(fā)生在信使核糖核酸(mRNA)水平。當(dāng)基因被激活和閱讀時(shí)，這些分子編碼遺傳信息。這個(gè)過(guò)程叫做轉(zhuǎn)錄。研究人員可以通過(guò)測(cè)量細(xì)胞中的mRNA分子來(lái)準(zhǔn)確研究基因活性。但基因轉(zhuǎn)錄的痕跡很快消失：mRNA高度不穩(wěn)定，細(xì)胞往往在短時(shí)間內(nèi)降解。
圓形脫氧核糖核酸作為記錄系統(tǒng)
研究人員ETH Randall Platt和他在生物系統(tǒng)科學(xué)與工程系的同事現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種分子記錄系統(tǒng)，可以將轉(zhuǎn)錄事件寫(xiě)入DNA，在DNA中可以永久存儲(chǔ)，然后通過(guò)測(cè)序進(jìn)行訪問(wèn)。
為了創(chuàng)造他們的“錄音設(shè)備”，普拉特的博士生弗羅里安施密特和瑪麗婭切雷普科娃采用了CRISPR-Cas系統(tǒng)。CRIPSR-Cas是細(xì)菌和古細(xì)菌的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)記錄感染細(xì)胞的病原體的遺傳信息，起到免疫記憶裝置的作用。這些遺傳信息被記錄在一個(gè)叫做CRISPR陣列的特定DNA片段中——這個(gè)過(guò)程被稱為獲取。
遺傳信息就像一串珍珠。
CRISPR陣列可以存儲(chǔ)來(lái)自病原體的稱為“間隔子”的短DNA序列。間隔子由短的相同的DNA序列分開(kāi)，稱為直接重復(fù)，就像琴弦上的珍珠一樣。
研究人員利用腸道細(xì)菌大腸桿菌從不同的細(xì)菌物種中導(dǎo)入CRISPR-Cas系統(tǒng)的基因。其中一個(gè)Cas基因與逆轉(zhuǎn)錄酶融合，逆轉(zhuǎn)錄酶是一種利用核糖核酸分子產(chǎn)生編碼相同信息的脫氧核糖核酸的酶，換句話說(shuō)，它將核糖核酸轉(zhuǎn)錄回脫氧核糖核酸。
提供CRISPR-Cas外源基因的大腸桿菌細(xì)胞可以產(chǎn)生結(jié)合短mRNA分子的蛋白質(zhì)復(fù)合物。逆轉(zhuǎn)錄酶將這些RNA間隔區(qū)翻譯成DNA，包含與原始RNA相同的信息，然后存儲(chǔ)在CRISPR陣列中。這個(gè)過(guò)程可以發(fā)生很多次，因此新的間隔物以相反的時(shí)間順序添加到CRISPR陣列中，因此最近獲得的DNA片段總是第一個(gè)。
原則上，這使得在CRISPR陣列中記錄任意數(shù)量的間隔物成為可能。因?yàn)镈NA非常穩(wěn)定，記錄在里面的信息可以長(zhǎng)期保存，也可以從一代細(xì)菌傳到下一代細(xì)菌。
“我們的系統(tǒng)是一個(gè)生物數(shù)據(jù)記錄器。它記錄了細(xì)菌對(duì)外界影響的遺傳反應(yīng)，因此即使在許多細(xì)菌產(chǎn)生后，我們也可以獲得這一信息，”該研究的第一作者弗羅里安施密特說(shuō)，他最近發(fā)表在該雜志上。自然。
ETH Randall Platt教授說(shuō)：“長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員一直在努力創(chuàng)造合成細(xì)胞記憶的形式，但我們是第一個(gè)開(kāi)發(fā)出可以記錄細(xì)胞中每個(gè)基因表達(dá)的信息的人。”研究人員花了兩年多的時(shí)間研究這個(gè)系統(tǒng)。
訪問(wèn)整個(gè)日志
到目前為止，研究人員只在一張快照中測(cè)量了mRNA。拍攝這些快照通常意味著破壞細(xì)胞，提取它們的mRNA，然后量化它們。相比之下，新的CRISPR-Cas RNA記錄系統(tǒng)記錄了細(xì)胞的歷史，這使得研究人員能夠有效地訪問(wèn)整個(gè)細(xì)胞日志，而不僅僅是一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。
作為研究的一部分，ETH研究人員記錄了配備有數(shù)據(jù)記錄器的大腸桿菌對(duì)除草劑百草枯的反應(yīng)。這種物質(zhì)會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)mRNA轉(zhuǎn)錄的變化，科學(xué)家甚至可以在除草劑暴露幾天后從CRISPR陣列中讀取這種反應(yīng)。如果沒(méi)有數(shù)據(jù)記錄器，細(xì)菌接觸除草劑的任何分子痕跡都會(huì)被破壞，信息也會(huì)丟失。
除了研究目的，這種生物數(shù)據(jù)記錄器還可以用作測(cè)量環(huán)境毒素(如除草劑)或診斷的傳感器。本研究有趣地證明了這種方法的可行性，但在實(shí)際應(yīng)用中還有很長(zhǎng)的路要走。蘭德?tīng)柶绽卦诎腿麪柕难芯繄F(tuán)隊(duì)一直試圖將該系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到其他細(xì)胞類型，為其作為診斷工具的有效使用鋪平道路。
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