卢冠达Science用CRISPR- Cas9实现重大突破

　　麻省理工学院的生物工程师们设计了一种方法在人类细胞DNA中记录复杂的历史，使得他们能够通过测序DNA检索有关过去事件的“记忆”，例如炎症。这项研究发布在8月18日的《科学》（Science）杂志上。

　　

麻省理工学院的生物工程师们设计了一种方法在人类细胞DNA中记录复杂的历史，使得他们能够通过测序DNA检索有关过去事件的“记忆”，例如炎症。

这一首个可以记录人类细胞中事件持续时间和/或强度的模拟记忆存储系统，还能够帮助科学家们研究胚胎发育过程中细胞分化为各种组织的机制，细胞如何经受环境条件，以及它们是如何经历导致疾病的遗传改变的。

生物通报道  这项研究发布在8月18日的《科学》（Science）杂志上。麻省理工学院电子学研究实验室合成生物学研究组负责人、电子工程、计算机科学和生物工程系的副教授卢冠达（Timothy Lu）博士是这篇论文的资深作者。这位年仅三十五岁的科研新星曾被麻省理工的百年期刊《技术评论》评为世界青年科技创新家。他不仅在合成生物学领域硕果累累，近年也取得了多项CRISPR研究的重要成果。Samuel Perli博士与研究生Cheryl Cui是这篇论文的第一作者。

今年2月，卢冠达领导麻省理工学院的研究人员在PNAS杂志上发布了多重条码的CRISPR-Cas9筛选平台。该平台结合了CRISPR-Cas9和CombiGEM技术，能够在人类细胞中对带条码的基因扰动组合进行大规模平行筛选（华人学者PNAS发表CRISPR新技术）。

合成生物学使得研究人员能够编程细胞执行一些新功能，如响应一种特殊的化学物质发出荧光，或是响应疾病标记物生成药物。7月，卢冠达博士与麻省理工学院的工程师们朝着设计出复杂得多的回路迈进了一步，编程细胞记住并对一系列的事件做出了响应。这项研究发布在Science杂志上（卢冠达博士Science玩转细胞编程 ）。

同月，卢冠达课题组设计了一种便携式的生产系统，可按需生产一系列的生物制剂。在《Nature Communications》杂志上发表的一篇论文中，研究人员证明该系统可以用一个紧凑的设备——在液体中包含一小滴的细胞，来生产单一剂量的治疗药物（卢冠达博士开发按需生产药物的便携设备 ）。

卢冠达说：“为了更深入地了解生物学，我们构建了能够基于遗传编码记录器报告自身历史的人类细胞。”这一技术有可能提供细胞内的基因调控和其他事件促成疾病和发育机制的新见解。

模拟存储器

包括卢冠达在内的许多科学家设计出了一些方法，在活细胞中记录数字信息。利用重组酶，他们编程细胞在发生特殊事件，例如暴露于一种特殊化学物质下时翻转它们的DNA片段。然而，这种方法只揭示出是否发生了事件，而未阐明暴露的程度或持续的时间。

卢冠达和其他的研究人员以往曾设计出一些方法在细菌中记录这种模拟信息，但直到现在还没有人在人类细胞中做到这一点。

新方法是基于称作为CRISPR的基因组编辑系统，它包括一个叫做Cas9的DNA切割酶，和一段短RNA链将Cas9引导至基因组的特定区域，控制Cas9在何处完成切割。

CRISPR被广泛用于基因编辑，但麻省理工学院研究小组决定采用它来实现记忆储存。在细菌中，这一系统记录了过去的病毒感染，因此细胞可以记住并抵御入侵的病毒。

Perli说：“我们想采用CRISPR系统在人类基因组中储存信息。”

当使用CRISPR来编辑基因时，研究人员会制造出与宿主生物基因组中靶序列匹配的RNA向导链。为了编码记忆，研究小组采用了一种不同的方法：他们设计了一些向导链来识别编码同样的向导链的DNA，构建出他们所谓的“自我靶向向导RNA”。

在这一自我靶向向导RNA链的带领下，Cas9切割了编码这一向导链的DNA，生成了一种突变成为这一事件的永久记录。在发生突变后，这一DNA序列会生成一个新的向导RNA链，引导Cas9去到新突变的DNA处，只要Cas9活化或自我靶向向导RNA表达就会累积进一步的突变。

通过利用特异生物事件的传感器来控制Cas9或自我靶向向导RNA的活性，这一系统促成了根据这些生物输入信号而累积的渐进突变，由此提供了基因组编码记忆。

例如，研究人员设计出了当存在一个靶分子，如TNF-α时，仅表达Cas9的一个基因回路。在炎症过程中一些免疫细胞会产生TNF-α。每当存在TNF-α时，Cas9就会切割编码向导序列的DNA，生成突变。暴露于TNF-α的时间越长或TNF-α的浓度越高，DNA序列中累积的突变就越多。

通过随后测序DNA，研究人员可以确定暴露于TNF-α的程度。

“这是我们一直在寻找的一种有意义的模拟行为，当你提高TNF-α的量或持续时间时，你会增加突变的数量，”Perli说。

Cui说：“此外，我们想在活体动物中测试我们的系统。能够记录并从小鼠活细胞中提取信息可以帮助解答一些有意义的生物学问题。”研究人员证实，这一系统能够记录小鼠体内的炎症。

大多数的突变都会导致DNA序列的一部分缺失，因此研究人员设计他们的RNA向导链长于通常的20个核苷酸，因此它们不会因为过短而无法发挥功能。40个核苷酸的序列长至足够记录一个月，研究人员还设计出了70个核苷酸的序列，可用于在更长的时间内记录一些生物学信号。

追踪发育与疾病

研究人员还证实，他们通过在同一细胞中生成多个自我靶向RNA向导链，可以设计细胞检测和记录一条以上的输入信号。每一个RNA向导链都与一个特定的输入信号相关，只有存在这一输入信号时才会产生。在这项研究中，研究人员证实他们可以记录抗生素强力霉素（doxycycline）和IPTG分子的存在情况。

研究人员说，当前这一方法最有可能用于研究人类细胞、组织或工程器官。通过编程细胞记录多个事件，科学家们可以利用这一系统监测炎症或感染，或监测癌症进展。它还有可能用于追踪动物从胚胎发育为成体过程中细胞特化为不同组织的过程。

Perli说：“有了这一技术，你可以获得不同的记忆缓存器记录暴露于不同的信号，你可以看到细胞在这一持续时间内或以这样的强度接收每个信号。你可以更进一步地了解在发育中发生的事件。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

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