凡走過必留下痕跡! CRISPR 成為細胞活動記錄器

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凡走過必留下痕跡,細胞也不意外,當它受到病毒感染、暴露於環境毒素或其他壓力,會改變其基因活性,進而留下分子痕跡。那如何記錄其基因活性改變,成為另一個重要課題。

由蘇黎世聯邦理工大學(ETH Zurich)Randall Platt 研究員所率領的研究團隊成功透過非常火燙的基因編輯技術——CRISPR-Cas 系統,來檢測外來病原體的 RNA 序列,進而儲存相對應的 DNA 片段,來記錄細菌中不同時間點的基因變化,該研究結果於 10 月 3 日刊登在《Nature》期刊上。

該研究團隊透過重新編輯大腸桿菌來表現來自 Fusicatenibacter saccharivorans 的 CRISPR 獲取機制蛋白(CRISPR-acquisition machinery proteins),然後該蛋白質能捕獲 RNA 轉錄本(transcripts),並且切割一小段 RNA,可用於製作序列的短 DNA,也就是“間隔區”(spacer)。如同珍珠項鍊一樣,該間隔區能結合在 DNA 的重複序列之間,以形成 CRISPR 陣列(array)。

他們將不同的細菌物種中 CRISPR-Cas 系統的基因引入大腸桿菌中。其中一個Cas 基因會與反轉錄酶(reverse transcriptase)融合,反轉錄酶將 RNA 間隔區反轉錄成 DNA,含有與原始 RNA 相同的訊息,然後將它們存儲在 CRISPR 陣列中。接著,他們不斷重複該過程,使得新的間隔區能以相反的時間順序添加到CRISPR 陣列,因此最近獲得的 DNA 片段總是排在最前面。

他們也指出,在 CRISPR 陣列內能記錄非常多的間隔區,再加上 DNA 非常穩定,記錄在其中的訊息能長時間保存,可以從一代細菌傳遞到下一代細菌。對此,該研究第一作者 Florian Schmidt 教授表示,他們的系統是一個生物數據記錄器,它記錄了細菌對外界影響的遺傳反應,使他們即使在多次細菌生成後,也能不斷獲取這些訊息。ETH 教授Randall Platt 也表示,過去科學家長期致力於創造合成細胞記憶的形式,但他們是第一個開發出能夠記錄細胞中每個基因表現訊息的團隊。

延伸閱讀:CRISPR史詩級革新 病毒和腫瘤將無所遁形

參考資料:
1. Nature, 2018; DOI: 10.1038/s41586-018-0569-1
2. https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2018/10/crispr-array-als-datenlogger-in-zellen.html
3. https://www.nature.com/articles/d41586-018-06869-1#ref-CR7

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