如果你想追蹤一個人一天的活動，你可以每十分鐘給他打電話，問他在做什么。不過，更簡單的做法是為他們提供一個日志來記錄他們自己的行為。科學家們經常依靠類似于第一種方法的方法來跟蹤細胞是如何隨時間變化的;它們在設定的時間點從一組細胞中挑選細胞，并對它們的基因活動進行快照。
現在，Gladstone研究所的研究人員開發出了一種更像日記或收據簿的工具——它可以記錄細胞的基因活動，每次記錄數天。這種被命名為Retro-Cascorder的生物設備記錄了DNA鏈中的數據，然后可以隨時分析這些數據以獲得細胞的活動日志。
“這種收集分子數據的新方法給了我們一個前所未有的了解細胞的窗口，”Gladstone助理研究員Seth Shipman博士說，他是發表在《Nature》雜志上的新研究的資深作者。“除了為基礎研究提供了一種新的工具，它還讓我們把細胞改造成可以記錄環境變化的活體生物傳感器。DNA是一種靈活的數據存儲介質，你可以在其中編碼任何你想要的東西。”
雖然有機體中所有的細胞都有相同的基因組，但它們在特定時間的基因開啟或關閉上是不同的。研究人員可以測量特定基因在不同時間點在細胞內的開啟程度，以跟蹤細胞的行為、功能或身份隨時間的變化。
Shipman和他的同事們想設計一個系統，可以自動記錄特定基因的每次啟動。這將提供一個更詳細的基因活動模式。Shipman長期以來一直對利用DNA存儲數據感興趣——2017年，他將一部電影編碼到活細菌的DNA中——DNA是細胞日志的天然介質。
“DNA是一種靈活的數據存儲介質，你可以在其中真正編碼任何你想要的東西，”Shipman說。“它也很容易使用，因為它已經存在于細胞中。”
Shipman(左)和Bhattarai-Kline(右)開發了一種分子分類帳，可以自動記錄每一個基因被打開的時間順序。
第一步，Shipman的團隊轉向了逆轉錄酶，逆轉錄酶是一種細菌元素，當被激活時會產生特定的DNA序列。研究人員在感興趣的基因中添加了一個反轉錄基因。每當該基因被激活時，逆轉錄酶機制也會產生相應的DNA片段，帶有該基因特有的條形碼。
這篇新論文的第一作者、格萊斯頓前助理研究員Santi Bhattarai-Kline說:“反轉錄子的作用就像一張收據，告訴你基因剛剛被打開。”
接下來，研究小組想要一個分子分類帳，以時間順序記錄這些收據。為此，他們使用了CRISPR陣列，這是一種長而重復的DNA序列，細菌通常會在此復制免疫記憶所需的基因信息片段——按照它們接收到這些信息的順序。
通過將這些陣列整合到與反轉錄基因機器相同的細胞中，Shipman的團隊確保了反轉錄基因產生的每一個DNA接收都將被插入到CRISPR陣列中。為了獲取CRISPR序列中包含的信息，研究人員只需對細胞的基因組進行測序，并查看序列中逆轉錄序列的序列。
為了展示他們的新Retro-Cascorder的實用性，Shipman和他的同事們改造了大腸桿菌(E. coli)細胞，使其基因中含有逆轉錄酶，已知這些基因在某些化學物質存在時被激活。他們表明，在48小時內，CRISPR陣列可以準確地記錄這些基因啟動的順序，也就是研究人員添加這些化學物質的順序。
Bhattarai-Kline說:“這種應用是我們認為我們的系統在短期內最有用的。研究人員可以在一個細胞中安裝多個生物傳感器，并使用它們隨著時間的推移監測環境，從池塘或廢水處理設施到人類腸道內部。”
Bhattarai-Kline(左)和Shipman(右)設計的系統可以讓研究人員隨時間推移監測環境。
在其目前的形式下，Retro-Cascorder只告訴研究人員基因啟動的順序，而不是這些事件之間經過的時間。然而，作為免疫記憶功能的一部分，CRISPR陣列不斷地在細胞內添加自由浮動的DNA小片段。如果研究人員發現它們以可預測的速度添加，這些DNA位就可以提供一種分子時鐘，精確計算每個反轉錄子整合的時間，也就是每個基因被激活的時間。
到目前為止，Shipman的團隊只使用該系統一次跟蹤了幾個基因，而不是研究人員未來可能希望同時監測的幾十個基因。但該團隊正在積極研究如何擴大Retro-Cascorders，并將該系統應用于細菌以外的細胞類型。
Shipman說:“這還不是一個完美的系統，但我們認為它仍然會比現有的方法更好，現有的方法只能讓你一次測量一個事件。”
Recording gene expression order in DNA by CRISPR addition of retron barcodes