Инженеры запрограммировали человеческие клетки хранить сложную историю в своей ДНК

Биоинженеры MIT разработали способ записи сложной истории в ДНК человеческих клеток, позволяя извлекать «воспоминания» о прошлых событиях, таких как воспаление, путем секвенирования ДНК.

Эта аналоговая система хранения памяти — первая, способная записывать продолжительность и/или интенсивность событий в человеческих клетках — также может помочь ученым изучать, как клетки дифференцируются в различные ткани во время эмбрионального развития, как они испытывают воздействие окружающей среды и как претерпевают генетические изменения, ведущие к болезни.

«Для более глубокого понимания биологии мы создали человеческие клетки, способные сообщать о своей собственной истории на основе генетически закодированных регистраторов», — говорит Тимоти Лу. Эта технология должна дать представление о том, как регуляция генов и другие события внутри клеток способствуют развитию болезни.

Лу — старший автор нового исследования, опубликованного в онлайн-выпуске Science от 18 августа. Ведущие авторы — Сэмюэл Перли и аспирантка Черил Цуй.

Аналоговая память

Многие ученые разрабатывали способы записи цифровой информации в живых клетках, но эти методы показывали лишь, произошло ли событие, а не его интенсивность или продолжительность.

Лу и другие исследователи ранее создавали способы записи такой аналоговой информации в бактериях, но до сих пор никто не добился этого в человеческих клетках.

Новый подход MIT основан на системе редактирования генома CRISPR, которая состоит из фермента, разрезающего ДНК, Cas9, и короткой цепи РНК, направляющей фермент к определенной области генома.

Исследователи адаптировали CRISPR для хранения памяти. Они создали «самонаводящиеся направляющие РНК», которые распознают ДНК, кодирующую их самих. Под руководством такой РНК Cas9 разрезает ДНК, кодирующую направляющую цепь, создавая мутацию, которая становится постоянной записью события.

После мутации эта последовательность ДНК генерирует новую направляющую РНК, которая направляет Cas9 к вновь мутировавшей ДНК, позволяя накапливаться дальнейшим мутациям, пока активен Cas9 или экспрессируется самонаводящаяся РНК.

Используя сенсоры для конкретных биологических событий, чтобы регулировать активность Cas9 или самонаводящейся РНК, эта система позволяет накапливать прогрессирующие мутации как функцию этих биологических сигналов, обеспечивая геномно закодированную память.

Например, исследователи создали генную цепь, которая экспрессирует Cas9 только в присутствии мишени-молекулы, такой как TNF-альфа, вырабатываемая иммунными клетками во время воспаления. Чем дольше воздействие TNF-альфа или чем выше его концентрация, тем больше мутаций накапливается в последовательности ДНК. Позднее, секвенируя ДНК, исследователи могут определить степень воздействия.

Исследователи также показали, что система способна регистрировать воспаление у живых мышей.

Большинство мутаций приводят к удалению части последовательности ДНК, поэтому исследователи разработали направляющие цепи РНК длиннее обычных 20 нуклеотидов. Последовательности из 40 нуклеотидов достаточно для записи в течение месяца, а 70-нуклеотидные последовательности можно использовать для записи биологических сигналов еще дольше.

Отслеживание развития и болезни

Исследователи также показали, что могут создавать клетки для обнаружения и записи более одного сигнала, производя несколько самонаводящихся направляющих РНК в одной клетке. Каждая РНК связана с определенным сигналом и производится только при его наличии. В этом исследовании они записали присутствие как антибиотика доксициклина, так и молекулы IPTG.

В настоящее время этот метод, скорее всего, будет использоваться для исследований человеческих клеток, тканей или инженерных органов. Программируя клетки для записи нескольких событий, ученые могли бы использовать эту систему для мониторинга воспаления, инфекции или прогрессирования рака. Она также может быть полезна для отслеживания того, как клетки специализируются в разные ткани в процессе развития животных от эмбрионов до взрослых особей.

«С этой технологией у вас могут быть разные регистры памяти, записывающие воздействие различных сигналов, и вы могли бы видеть, что каждый из этих сигналов был получен клеткой в течение такого-то времени или с такой-то интенсивностью», — говорит Перли. «Таким образом, вы сможете приблизиться к пониманию того, что происходит в развитии».