盧冠達Science用CRISPR- Cas9實現重大突破

【字體: 時間:2016年08月19日 來源:生物通

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  麻省理工學院的生物工程師們設計了一種方法在人類細胞DNA中記錄復雜的歷史,使得他們能夠通過測序DNA檢索有關過去事件的“記憶”,例如炎癥。這項研究發布在8月18日的《科學》(Science)雜志上。

  

麻省理工學院的生物工程師們設計了一種方法在人類細胞DNA中記錄復雜的歷史,使得他們能夠通過測序DNA檢索有關過去事件的“記憶”,例如炎癥。

這一首個可以記錄人類細胞中事件持續時間和/或強度的模擬記憶存儲系統,還能夠幫助科學家們研究胚胎發育過程中細胞分化為各種組織的機制,細胞如何經受環境條件,以及它們是如何經歷導致疾病的遺傳改變的。

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生物通報道  這項研究發布在8月18日的《科學》(Science)雜志上。麻省理工學院電子學研究實驗室合成生物學研究組負責人、電子工程、計算機科學和生物工程系的副教授盧冠達(Timothy Lu)博士是這篇論文的資深作者。這位年僅三十五歲的科研新星曾被麻省理工的百年期刊《技術評論》評為世界青年科技創新家。他不僅在合成生物學領域碩果累累,近年也取得了多項CRISPR研究的重要成果。Samuel Perli博士與研究生Cheryl Cui是這篇論文的第一作者。

今年2月,盧冠達領導麻省理工學院的研究人員在PNAS雜志上發布了多重條碼的CRISPR-Cas9篩選平臺。該平臺結合了CRISPR-Cas9和CombiGEM技術,能夠在人類細胞中對帶條碼的基因擾動組合進行大規模平行篩選(華人學者PNAS發表CRISPR新技術)。

合成生物學使得研究人員能夠編程細胞執行一些新功能,如響應一種特殊的化學物質發出熒光,或是響應疾病標記物生成藥物。7月,盧冠達博士與麻省理工學院的工程師們朝著設計出復雜得多的回路邁進了一步,編程細胞記住并對一系列的事件做出了響應。這項研究發布在Science雜志上(盧冠達博士Science玩轉細胞編程 )。

同月,盧冠達課題組設計了一種便攜式的生產系統,可按需生產一系列的生物制劑。在《Nature Communications》雜志上發表的一篇論文中,研究人員證明該系統可以用一個緊湊的設備——在液體中包含一小滴的細胞,來生產單一劑量的治療藥物(盧冠達博士開發按需生產藥物的便攜設備 )。

盧冠達說:“為了更深入地了解生物學,我們構建了能夠基于遺傳編碼記錄器報告自身歷史的人類細胞。”這一技術有可能提供細胞內的基因調控和其他事件促成疾病和發育機制的新見解。

模擬存儲器

包括盧冠達在內的許多科學家設計出了一些方法,在活細胞中記錄數字信息。利用重組酶,他們編程細胞在發生特殊事件,例如暴露于一種特殊化學物質下時翻轉它們的DNA片段。然而,這種方法只揭示出是否發生了事件,而未闡明暴露的程度或持續的時間。

盧冠達和其他的研究人員以往曾設計出一些方法在細菌中記錄這種模擬信息,但直到現在還沒有人在人類細胞中做到這一點。

新方法是基于稱作為CRISPR的基因組編輯系統,它包括一個叫做Cas9的DNA切割酶,和一段短RNA鏈將Cas9引導至基因組的特定區域,控制Cas9在何處完成切割。

CRISPR被廣泛用于基因編輯,但麻省理工學院研究小組決定采用它來實現記憶儲存。在細菌中,這一系統記錄了過去的病毒感染,因此細胞可以記住并抵御入侵的病毒。

Perli說:“我們想采用CRISPR系統在人類基因組中儲存信息。”

當使用CRISPR來編輯基因時,研究人員會制造出與宿主生物基因組中靶序列匹配的RNA向導鏈。為了編碼記憶,研究小組采用了一種不同的方法:他們設計了一些向導鏈來識別編碼同樣的向導鏈的DNA,構建出他們所謂的“自我靶向向導RNA”。

在這一自我靶向向導RNA鏈的帶領下,Cas9切割了編碼這一向導鏈的DNA,生成了一種突變成為這一事件的永久記錄。在發生突變后,這一DNA序列會生成一個新的向導RNA鏈,引導Cas9去到新突變的DNA處,只要Cas9活化或自我靶向向導RNA表達就會累積進一步的突變。

通過利用特異生物事件的傳感器來控制Cas9或自我靶向向導RNA的活性,這一系統促成了根據這些生物輸入信號而累積的漸進突變,由此提供了基因組編碼記憶。

例如,研究人員設計出了當存在一個靶分子,如TNF-α時,僅表達Cas9的一個基因回路。在炎癥過程中一些免疫細胞會產生TNF-α。每當存在TNF-α時,Cas9就會切割編碼向導序列的DNA,生成突變。暴露于TNF-α的時間越長或TNF-α的濃度越高,DNA序列中累積的突變就越多。

通過隨后測序DNA,研究人員可以確定暴露于TNF-α的程度。

“這是我們一直在尋找的一種有意義的模擬行為,當你提高TNF-α的量或持續時間時,你會增加突變的數量,”Perli說。

Cui說:“此外,我們想在活體動物中測試我們的系統。能夠記錄并從小鼠活細胞中提取信息可以幫助解答一些有意義的生物學問題。”研究人員證實,這一系統能夠記錄小鼠體內的炎癥。

大多數的突變都會導致DNA序列的一部分缺失,因此研究人員設計他們的RNA向導鏈長于通常的20個核苷酸,因此它們不會因為過短而無法發揮功能。40個核苷酸的序列長至足夠記錄一個月,研究人員還設計出了70個核苷酸的序列,可用于在更長的時間內記錄一些生物學信號。

追蹤發育與疾病

研究人員還證實,他們通過在同一細胞中生成多個自我靶向RNA向導鏈,可以設計細胞檢測和記錄一條以上的輸入信號。每一個RNA向導鏈都與一個特定的輸入信號相關,只有存在這一輸入信號時才會產生。在這項研究中,研究人員證實他們可以記錄抗生素強力霉素(doxycycline)和IPTG分子的存在情況。

研究人員說,當前這一方法最有可能用于研究人類細胞、組織或工程器官。通過編程細胞記錄多個事件,科學家們可以利用這一系統監測炎癥或感染,或監測癌癥進展。它還有可能用于追蹤動物從胚胎發育為成體過程中細胞特化為不同組織的過程。

Perli說:“有了這一技術,你可以獲得不同的記憶緩存器記錄暴露于不同的信號,你可以看到細胞在這一持續時間內或以這樣的強度接收每個信號。你可以更進一步地了解在發育中發生的事件。”

(生物通:何嬙)

生物通推薦原文索引:

Samuel D. Perli, Cheryl H. Cui, Timothy K. Lu. Continuous genetic recording with self-targeting CRISPR-Cas in human cells. Science, August 2016 DOI: 10.1126/science.aag0511

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