Nature：存储细胞历史的DNA工具包

Gladstone的科学家设计了活体生物传感器来跟踪细胞的遗传活性

　　

如果你想追踪一个人一天的活动，你可以每十分钟给他打电话，问他在做什么。不过，更简单的做法是为他们提供一个日志来记录他们自己的行为。科学家们经常依靠类似于第一种方法的方法来跟踪细胞是如何随时间变化的;它们在设定的时间点从一组细胞中挑选细胞，并对它们的基因活动进行快照。

现在，Gladstone研究所的研究人员开发出了一种更像日记或收据簿的工具——它可以记录细胞的基因活动，每次记录数天。这种被命名为Retro-Cascorder的生物设备记录了DNA链中的数据，然后可以随时分析这些数据以获得细胞的活动日志。

“这种收集分子数据的新方法给了我们一个前所未有的了解细胞的窗口，”Gladstone助理研究员Seth Shipman博士说，他是发表在《Nature》杂志上的新研究的资深作者。“除了为基础研究提供了一种新的工具，它还让我们把细胞改造成可以记录环境变化的活体生物传感器。DNA是一种灵活的数据存储介质，你可以在其中编码任何你想要的东西。”

一个新的工具包

虽然有机体中所有的细胞都有相同的基因组，但它们在特定时间的基因开启或关闭上是不同的。研究人员可以测量特定基因在不同时间点在细胞内的开启程度，以跟踪细胞的行为、功能或身份随时间的变化。

Shipman和他的同事们想设计一个系统，可以自动记录特定基因的每次启动。这将提供一个更详细的基因活动模式。Shipman长期以来一直对利用DNA存储数据感兴趣——2017年，他将一部电影编码到活细菌的DNA中——DNA是细胞日志的天然介质。

“DNA是一种灵活的数据存储介质，你可以在其中真正编码任何你想要的东西，”Shipman说。“它也很容易使用，因为它已经存在于细胞中。”

Shipman(左)和Bhattarai-Kline(右)开发了一种分子分类帐，可以自动记录每一个基因被打开的时间顺序。

第一步，Shipman的团队转向了逆转录酶，逆转录酶是一种细菌元素，当被激活时会产生特定的DNA序列。研究人员在感兴趣的基因中添加了一个反转录基因。每当该基因被激活时，逆转录酶机制也会产生相应的DNA片段，带有该基因特有的条形码。

这篇新论文的第一作者、格莱斯顿前助理研究员Santi Bhattarai-Kline说:“反转录子的作用就像一张收据，告诉你基因刚刚被打开。”

接下来，研究小组想要一个分子分类帐，以时间顺序记录这些收据。为此，他们使用了CRISPR阵列，这是一种长而重复的DNA序列，细菌通常会在此复制免疫记忆所需的基因信息片段——按照它们接收到这些信息的顺序。

通过将这些阵列整合到与反转录基因机器相同的细胞中，Shipman的团队确保了反转录基因产生的每一个DNA接收都将被插入到CRISPR阵列中。为了获取CRISPR序列中包含的信息，研究人员只需对细胞的基因组进行测序，并查看序列中逆转录序列的序列。

细胞传感器

为了展示他们的新Retro-Cascorder的实用性，Shipman和他的同事们改造了大肠杆菌(E. coli)细胞，使其基因中含有逆转录酶，已知这些基因在某些化学物质存在时被激活。他们表明，在48小时内，CRISPR阵列可以准确地记录这些基因启动的顺序，也就是研究人员添加这些化学物质的顺序。

Bhattarai-Kline说:“这种应用是我们认为我们的系统在短期内最有用的。研究人员可以在一个细胞中安装多个生物传感器，并使用它们随着时间的推移监测环境，从池塘或废水处理设施到人类肠道内部。”

Bhattarai-Kline(左)和Shipman(右)设计的系统可以让研究人员随时间推移监测环境。

在其目前的形式下，Retro-Cascorder只告诉研究人员基因启动的顺序，而不是这些事件之间经过的时间。然而，作为免疫记忆功能的一部分，CRISPR阵列不断地在细胞内添加自由浮动的DNA小片段。如果研究人员发现它们以可预测的速度添加，这些DNA位就可以提供一种分子时钟，精确计算每个反转录子整合的时间，也就是每个基因被激活的时间。

到目前为止，Shipman的团队只使用该系统一次跟踪了几个基因，而不是研究人员未来可能希望同时监测的几十个基因。但该团队正在积极研究如何扩大Retro-Cascorders，并将该系统应用于细菌以外的细胞类型。

Shipman说:“这还不是一个完美的系统，但我们认为它仍然会比现有的方法更好，现有的方法只能让你一次测量一个事件。”

Recording gene expression order in DNA by CRISPR addition of retron barcodes