細胞的記憶藏在基因裡!科學家利用 CRISPR 技術從 DNA 看出細胞的故事

作者 | 發布日期 2016 年 09 月 26 日 14:27 | 分類 生物科技 , 醫療科技 follow us in feedly
MIT

淵源久遠的基因可能留有過往演化帶來的影響。來自美國麻省理工學院的生物工程師團隊設計了一個記憶儲存系統,能夠在人類細胞 DNA 中記錄曾經發生過的事件,並且利用 DNA 定序找出過去曾經發生的例如發炎現象等事件。細胞曾經歷過哪些環境改變,或者發生過基因改變等事件,都能夠透過這樣的系統記錄並重現,也能讓科學家們得以了解各種不同組織的細胞如何從最初的胚胎中開始分化成長。



這項研究在 8 月 18 日發表於科學期刊 Science 網路版,資深作者 Timothy Lu 是電子工程與資訊科學及生物工程學助理教授,他所帶領的麻省理工學院電子學研究室中合成生物組的研究者們,為了更加了解生物的狀態,利用細胞基因中原本就帶有的紀錄,讓細胞的「記憶」能夠如實告訴我們曾經發生的事,而這項技術能夠讓基因調控的紀錄和細胞如何發育或者生病都能被我們看見。

包含 Lu 在內的許多科學家都曾經設計過能夠透過數位資訊紀錄活細胞狀態的系統,他們所運用的是一種被稱為重組酶(recombinases)的酵素,讓細胞內的 DNA 在接觸化學物質或遇到某些特定狀況時翻轉出來,以此來記錄細胞中的事件。但這項技術只能記錄特定事件是否發生過,卻無法知道過程經歷了多久時間。科學家們曾經將這樣的技術運用在細菌之上,但到目前為止都還沒有人能將之運用至人類細胞上。

這項新技術的核心概念是來自一項被稱為 CRISPR 的基因編輯系統,這個系統中包含了一個被稱為 Cas9 的 DNA 截切酶,和被稱為嚮導 RNA(guide RNA, gRNA)的一股負責將 Cas9 帶到特定需要被截切基因上的短 RNA 片段。

CRISPR 在近年來廣泛的被科學家運用於各種基因編輯需求,但是來自麻省理工學院的這組研究團隊卻將它運用到細胞記憶的技術。CRISPR 本來就是源自於細菌的免疫系統,它的原理是當外來基因或者病毒入侵細菌時,CRISPR 系統會將入侵者的一段 DNA 切下來並接在自己的基因上保存,這段外來基因嵌入細菌基因後就像細菌擁有了記憶,能夠記得曾經的入侵者,等到下一次再被同樣的入侵者攻擊時,細菌就能夠依照之前所「記憶」下來的基因片段,轉錄(transcript)出能夠抑制入侵者基因的 RNA。而研究團隊就是希望利用 CRISPR 系統中能夠儲存資訊的這項特性,也套用在人類基因組上。

通常以 CRISPR 進行基因編輯時,研究者會設計好能夠辨認基因組上特定位置的嚮導 RNA,使實驗得以進行。但在這項研究中,研究團隊將他們所設計的嚮導 RNA 序列稱為「自我辨識嚮導 RNA」(self-targeting guide RNA),也就是說這段嚮導 RNA 所辨認的位置是能夠轉錄出和自己序列相同的 RNA 序列的 DNA 位置。

這段嚮導 RNA 會辨識和自己本身序列相似的位置,進而將 Cas9 帶至該位置進行截切,該位置產生突變之後就相當於在基因組內留下永久紀錄。而一旦 DNA 序列上製造嚮導 RNA 的部分出現突變,CRISPR 系統就會產生新的嚮導 RNA,讓新的嚮導 RNA 能夠辨識到突變的位置,Cas9 也能夠再次對該位置進行截切再產生下一個突變。於是,突變的累積就能夠被保存下來。

 

這套系統能記錄多種資訊

在這樣的基礎上,再設計讓生物內的感應系統能夠在感受到特定生物事件時調控 Cas9 或嚮導 RNA 的活性,如此一來這整套系統便能夠不斷地在特定事件發生時累積突變,藉此記錄細胞的生理狀況。

例如,研究團隊設計讓 Cas9 只會在有 TNF-α(tumor necrosis factor,腫瘤壞死因子的一種)這個發炎反應會產生的生物分子出現的狀況下才表現,一旦 TNF-α 出現,Cas9 就會隨之出現並在製造嚮導 RNA 的 DNA 序列上製造切口並產生突變。TNF-α 出現的時間越長或者濃度越高,DNA 序列上就會累積越多的突變。之後科學家再以 DNA 定序將 DNA 序列解出,就能夠透過序列分析得知 TNF-α 出現的時間以及影響程度。

由於大多的突變最後是導致部分的 DNA 序列被刪除,因此研究團隊設計的嚮導 RNA 比一般的 20 個核苷酸還要長,讓這些嚮導 RNA 不會突變累積越來越多而變得太短進而失去功能。大約 40 個核甘酸的長度便足以記錄一個月的訊息,研究團隊甚至設計了長達 70 個核甘酸的序列的嚮導 RNA 讓細胞能夠記錄更多的生物訊息。

除了在細菌內或細胞株中進行實驗之外,研究團隊更希望能在活動物體內也能有所運用。能夠從活動物體內記錄並且提取資訊,將能夠提供許多有用的資訊,並幫助未來更多方面的運用及研究。而目前這套系統已經能夠在老鼠細胞內記錄發炎情形。

研究團隊讓這套系統不只能記錄一種資訊,他們在同一個細胞內設計了更多種的自我辨識嚮導 RNA,每一種都代表著一種情況的訊號,並且只會在特定的那一種情況下出現並作用。在這項研究中,研究團隊已經成功的在同一個細胞內記錄四環黴素(doxycycline,一種抗生素)和 IPTG 分子(Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside,異丙基 -β-D-硫代吡喃半乳糖苷,廣泛運用於誘導細菌的外源基因表達)的出現情形。

研究團隊認為,目前這套系統最有可能被用於人類細胞、組織或器官的相關研究,科學家能夠運用這套系統追蹤監測發炎、感染甚至是癌症進程。除此之外,也能夠用來追蹤細胞從胚胎開始發育直至分化成各種組織成長成熟的過程。

這項技術能夠記錄的訊息種類多樣,可以同時記錄不同的訊號,再加上各個訊號都有強弱以及長度的差別,所獲得的資料非常有意義,能夠看出已發生的事件之外,細胞內正在發生的事件或者未來可能的走向也能藉此被了解並加以研究。

(首圖來源:麻省理工學院) 

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