開發出自我編輯的CRISPR條形碼

開發出自我編輯的CRISPR條形碼

通過調整CRISPR-Cas9基因編輯復合體，使得它在自己的向導RNA（gRNA）位點上發生突變，研究人員開發出一種方法讓細胞持續地產生它們自己*的條形碼。根據上周（12月5日）發表在Nature Methods期刊上的一篇論文，這種技術是由美國麻省理工學院和哈佛大學的兩個研究團隊獨立開發的，已在哺乳動物細胞中用于分子記錄---正如今年夏天（8月18日）在Science期刊（doi:10.1126/science.aag0511）上描述的那樣---和用于譜系追蹤。

美國華盛頓大學科學家Aaron McKenna（未參與其中的任何一項研究）說，“它真地是一項不錯的技術---從某種意義上說，你獲得一個能夠產生非常多樣化的編輯模式和能夠開始編碼越來越多信息的位點。”

麻省理工學院神經科學家Edward Boyden（也未參與其中的任何一項研究）對此表示同意。“這是非常引入關注的研究，這是因為它可能有助標記有機體中不同的細胞---因此它們容易被區分開來。”

McKenna說，利用CRISPR-Cas9基因編輯系統將關于一種細胞的信息插入到它自己的基因組中---這種信息可以關于這種細胞的身份（一種條形碼），或者這種細胞接觸到的信號分子或其他因子---是一個正在不斷成長的創新領域。比如，在5月，McKenna和同事們已描述一種譜系追蹤技術：在斑馬魚細胞中，利用CRISPR-Cas9讓一組人工合成的DNA元件發生累積地和不可逆地突變。

McKenna說，但是利用常規的CRISPR-Cas9系統能夠產生的突變數量---因此，能夠儲存的信息數量---是有限的。這種限制來源自CRISPR-Cas9的初始功能：作為一種抵抗入侵的病毒的細菌免疫機制。

在細菌中，Cas9核酸酶通過gRNA靶向入侵的病毒，其中gRNA含有匹配這種病毒的短序列。這些gRNA是由細菌自己的基因組編碼的（在之前遭遇這種病毒入侵之后），但是不會遭受Cas9的自我攻擊，這是因為它們缺乏特異性的存在于病毒基因組中的是Cas9識別所必需的DNA序列。這些識別病毒的DNA序列被稱作前間隔序列鄰近基序（protospacer adjacent motif, PAM）。

當利用CRISPR-Cas9系統在真核細胞中產生突變時，可能存在的突變數量受到gRNA本身的限制。在靶DNA元件發生一些突變后，gRNA不再具有足夠的序列同源性，因而不能夠有效地引導Cas9。

為了增加CRISPR-Cas9系統的信息儲存能力，兩個研究團隊---一個團隊由麻省理工學院科學家Tim Lu領導，另一個團隊由哈佛大學科學家George Church領導---想出同一種解決方法：讓gRNA位點含有一種PAM序列以便能夠自我編輯。

Lu解釋道，“每次在這個位點引入一種突變時，一種新的gRNA就會產生，從而能夠持續自我靶向。”

Lu團隊利用它的“自我靶向”CRISPR系統構建出記錄炎癥的細胞：這些細胞在對小鼠體內的炎性信號作出反應時，會啟動gRNA位點發生自我引導的突變。與此同時，Church團隊利用它的“自導（homing）”系統追蹤體外培養的細胞譜系。

Church實驗室研究員Reza Kalhor說，這種自導gRNA系統“在它的位點上產生的多樣性是常規的gRNA在它的靶標上的8到10倍。”然而，這種記錄能力并不是無止境的。他解釋道，“[CRISPR產生的]大量突變往往是缺失突變”，因此在一系列突變后，這種匹配的RNA序列---開始時僅20個核苷酸左右---變得太短而不能發揮功能。Kalhor說，“它基本上是搬起石頭砸自己的腳。”

McKenna說，“當然，在未來，還需開展更多的研究來優化這些技術。