Различные «события», такие как заражение вирусами, а также воздействие токсинов окружающей среды или другие формы стресса, изменяют активность генов, оставляя молекулярные следы внутри клетки. Эти изменения происходят в основном на уровне матричной РНК (мРНК). Это молекулы, которые кодируют генетическую информацию, когда гены активируются и считываются - процесс, известный как транскрипция. Исследователи могут точно исследовать активность гена, измеряя молекулы мРНК, присутствующие в клетке. Однако следы транскрипции генов быстро исчезают: мРНК крайне нестабильна, и клетки часто разрушают ее через короткое время.
Циркулярная ДНК как записывающая система
Исследователь ETH Рэндалл Платт и его коллеги из Департамента биосистемных наук и инженерии разработали систему молекулярной записи, которая записывает события транскрипции в ДНК, где они могут храниться постоянно, а затем доступны для секвенирования.
Для создания своего «записывающего устройства» докторанты Platt Флориан Шмидт и Мария Черепкова использовали систему CRISPR-Cas. CRIPSR-Cas представляет собой адаптивную иммунную систему у бактерий и архей. Система функционирует как иммунологическое запоминающее устройство, записывая генетическую информацию о патогенах, заражающих клетку. Эта генетическая информация записывается на определенном участке ДНК, известном как массив CRISPR. Этот процесс называется приобретением.
Генетическая информация как нитка жемчуга
Массивы CRISPR способны хранить короткие последовательности ДНК, известные как «спейсеры», происходящие от патогена. Спейсеры отделены друг от друга короткими идентичными последовательностями ДНК, называемыми прямыми повторами, точно так же, как жемчужины на нитке.
Исследователи работали с кишечной бактерией Escherichia coli, вводя гены системы CRISPR-Cas от другого вида бактерий. Один из этих генов Cas слит с обратной транскриптазой, ферментом, который использует молекулу РНК для производства ДНК, кодирующей ту же информацию, другими словами, он транскрибирует РНК обратно в ДНК.
Клетки Escherichia coli, снабженные чужеродными генами для этого CRISPR-Cas, были способны продуцировать белковый комплекс, который связывает короткие молекулы мРНК. Обратная транскриптаза переводит эти спейсеры РНК в ДНК, содержащую ту же информацию, что и исходная РНК, и впоследствии сохраняет их в массиве CRISPR. Этот процесс может происходить несколько раз, так что новые спейсеры добавляются в массив CRISPR в обратном хронологическом порядке, поэтому фрагмент ДНК, полученный последним, всегда будет первым.
В принципе, это позволяет записывать любые числовые спейсеры в массиве CRISPR. Поскольку ДНК очень стабильны, записанная в них информация сохраняется длительное время, а также передается от одного поколения бактерий к другому.
«Наша система представляет собой регистратор биологических данных. Она записывает генетическую реакцию бактерий на внешние воздействия и позволяет нам получить доступ к этой информации даже после многих поколений бактерий», - говорит Флориан Шмидт, ведущий автор исследования, которое было недавно опубликовано в журнале Nature.
ETH Профессор Рэндалл Платт говорит: «Исследователи долгое время работали над созданием форм синтетической клеточной памяти, но мы первыми разработали такую, которая может записывать информацию об экспрессии каждого гена в клетке в течение длительного времени». время. Исследователи потратили более двух лет на работу над этой системой.
Доступ ко всему журналу регистрации
До сих пор исследователи были ограничены измерением мРНК только на одном снимке во времени. Получение этих снимков обычно означает уничтожение клетки, извлечение ее мРНК, а затем их количественную оценку. Напротив, новая система записи РНК CRISPR-Cas записывает историю клеток, позволяя исследователям эффективно получать доступ ко всему клеточному журналу, а не только к одному моменту времени.
В рамках своего исследования исследователи ETH зафиксировали реакцию бактерий E. coli, оснащенных регистратором данных, на гербицид паракват. Это вещество вызывает изменения в транскрипции мРНК внутри клеток, и ученые могли считывать этот ответ с массивов CRISPR даже через несколько дней после воздействия гербицида. Без регистратора данных любые молекулярные следы контакта бактерий с гербицидом были бы давно уничтожены, а информация потеряна.
Биологические регистраторы данных, подобные этому, помимо того, что они интересны для исследовательских целей, также могут быть использованы в качестве своего рода датчика для измерения токсинов в окружающей среде, таких как гербициды, или в диагностике. Настоящее исследование интригующе демонстрирует осуществимость такого подхода, однако до практического применения еще далеко. Исследовательская группа Рэндалла Платта в Базеле уже работает над переносом системы на другие типы клеток и прокладывает путь к ее эффективному использованию в качестве диагностического инструмента.