開發(fā)出自我編輯的CRISPR條形碼

通過調(diào)整CRISPR-Cas9基因編輯復(fù)合體，使得它在自己的向?qū)NA（gRNA）位點(diǎn)上發(fā)生突變，研究人員開發(fā)出一種方法讓細(xì)胞持續(xù)地產(chǎn)生它們自己*的條形碼。根據(jù)上周（12月5日）發(fā)表在Nature Methods期刊上的一篇論文，這種技術(shù)是由美國(guó)麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)立開發(fā)的，已在哺乳動(dòng)物細(xì)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(guó)華盛頓大學(xué)科學(xué)家Aaron McKenna（未參與其中的任何一項(xiàng)研究）說，“它真地是一項(xiàng)不錯(cuò)的技術(shù)---從某種意義上說，你獲得一個(gè)能夠產(chǎn)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(diǎn)。”

麻省理工學(xué)院神經(jīng)科學(xué)家Edward Boyden（也未參與其中的任何一項(xiàng)研究）對(duì)此表示同意。“這是非常引入關(guān)注的研究，這是因?yàn)樗赡苡兄鷺?biāo)記有機(jī)體中不同的細(xì)胞---因此它們?nèi)菀妆粎^(qū)分開來。”

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

McKenna說，但是利用常規(guī)的CRISPR-Cas9系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的突變數(shù)量---因此，能夠儲(chǔ)存的信息數(shù)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(xì)菌免疫機(jī)制。

在細(xì)菌中，Cas9核酸酶通過gRNA靶向入侵的病毒，其中g(shù)RNA含有匹配這種病毒的短序列。這些gRNA是由細(xì)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(huì)遭受Cas9的自我攻擊，這是因?yàn)樗鼈內(nèi)狈μ禺愋缘拇嬖谟诓《净蚪M中的是Cas9識(shí)別所必需的DNA序列。這些識(shí)別病毒的DNA序列被稱作前間隔序列鄰近基序（protospacer adjacent motif, PAM）。

當(dāng)利用CRISPR-Cas9系統(tǒng)在真核細(xì)胞中產(chǎn)生突變時(shí)，可能存在的突變數(shù)量受到gRNA本身的限制。在靶DNA元件發(fā)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(dǎo)Cas9。

為了增加CRISPR-Cas9系統(tǒng)的信息儲(chǔ)存能力，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)---一個(gè)團(tuán)隊(duì)由麻省理工學(xué)院科學(xué)家Tim Lu領(lǐng)導(dǎo)，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)由哈佛大學(xué)科學(xué)家George Church領(lǐng)導(dǎo)---想出同一種解決方法：讓gRNA位點(diǎn)含有一種PAM序列以便能夠自我編輯。

Lu解釋道，“每次在這個(gè)位點(diǎn)引入一種突變時(shí)，一種新的gRNA就會(huì)產(chǎn)生，從而能夠持續(xù)自我靶向。”

Lu團(tuán)隊(duì)利用它的“自我靶向”CRISPR系統(tǒng)構(gòu)建出記錄炎癥的細(xì)胞：這些細(xì)胞在對(duì)小鼠體內(nèi)的炎性信號(hào)作出反應(yīng)時(shí)，會(huì)啟動(dòng)gRNA位點(diǎn)發(fā)生自我引導(dǎo)的突變。與此同時(shí)，Church團(tuán)隊(duì)利用它的“自導(dǎo)（homing）”系統(tǒng)追蹤體外培養(yǎng)的細(xì)胞譜系。

Church實(shí)驗(yàn)室研究員Reza Kalhor說，這種自導(dǎo)gRNA系統(tǒng)“在它的位點(diǎn)上產(chǎn)生的多樣性是常規(guī)的gRNA在它的靶標(biāo)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(chǎn)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(shí)僅20個(gè)核苷酸左右---變得太短而不能發(fā)揮功能。Kalhor說，“它基本上是搬起石頭砸自己的腳。”

McKenna說，“當(dāng)然，在未來，還需開展更多的研究來優(yōu)化這些技術(shù)。