細胞上的新型鏡頭

編譯 張茜

《科學》在線雜志上，來自哈佛大學的化學家劉如謙（David Liu）和博士后唐衛新（Weixin Tang）宣布了兩種被他們稱為“CRISPR-介導的模擬多事件錄音設備”或“照相機”的工具。在概念驗證實驗中，他們分別展示了該工具如何在細菌和人類細胞中記錄光照、抗生素和病毒感染或內部分子事件。

這種叫作“照相機”的研究工具可以對細胞進行改造，利用“安全港”基因的DNA來記錄由各種刺激激發產生的信號。

劉如謙想要得到更干凈的讀數。“我們想避開這種隨機混雜的數據。要解讀你的研究發現非常困難。”他的團隊不僅想要記錄細胞是否經歷了刺激，還想要記錄該刺激的強度以及持續了多長時間。例如，為了更好地理解癌癥，劉說，“我們希望能夠看到處于某特定狀態的細胞是否會聽從或忽視刺激信號，從而停止生長。”

另一種“照相機”利用了細菌的特性：細菌擁有漂浮在細胞質中的環狀“質粒”DNA，可以進行自我復制，但會嚴格控制其菌群大小。研究人員引入了兩個“記錄儀”質粒，R1和R2，它們以穩定的比例“駐扎”在細菌內。然后，他們制造了一個單獨的質粒，該質粒含有CRISPR的組分基因——一個靶向特定DNA序列以及可切割雙螺旋的Cas9酶的“向導”RNA（gRNA）。這些基因被設計成當細胞經歷一種特定的刺激時即能發揮作用，靶向R1。在一項測試中，他們給細菌配備了一種抗生素激活的“照相機”。通過將質粒進行排序并記錄R1：R2比率的變化，他們就能知道這些細胞暴露在藥物中有多長時間了。

第二個“照相機”使用的是修飾過的不具有切斷雙螺旋結構功能的Cas9，它與一種酶有關，這種酶可以將4種DNA堿基之一的胞嘧啶轉換為另一種胸腺嘧啶。為了記錄事件，gRNA把這個所謂的堿基編輯器擺渡給一個“安全港”基因，該基因的DNA可以在不對細胞造成損傷的情況下被改變。研究人員再次調整系統以響應特定的信號。作為測試實驗，他們刺激人類細胞激活Wnt信號通路，該信號通路在胚胎發育和癌癥的發展中起著重要作用。在Wnt信號通路激活的情況下，“照相機”打開了，登記記錄安全港基因中那些信號。

“照相機”能夠在包含僅有10個細胞的樣品中工作，接近記錄單個細胞活動的目標。“如果你在繪制大腦活動圖，那么每個細胞都是不同的故事。”哈佛大學的遺傳學家喬治·丘奇（George Church）說道。他的實驗室已經開發出了基于CRISPR的錄音設備。“理想情況下，你會得到一個不錯的單分子記錄，記錄著你可以讀出的一段DNA序列，它會告訴你每個細胞在其功能時間內發生了什么。”

“照相機”還擁有其他一些潛在的有用功能，比如它可以利用藥物將質粒比例“重置”為基底水平，從而把自己的記錄信息抹除。“照相機”也可以同時或陸續記錄多個不同的信號。但為了證明“照相機”在“人才濟濟”的生物記錄學領域的價值，研究人員必須證明，它可以在被改造過的動物細胞中發揮作用——而不僅僅能在劉的Wnt實驗使用的細胞系中發揮作用。