Устройство записи клеточной истории
Исследователи ETH разработали новый механизм записи на основе системы CRISPR-Cas: фрагменты ДНК, которые она производит, могут предоставлять информацию о определённых клеточных процессах. В будущем эта клеточная память может использоваться в диагностике.
События, такие как вирусные инфекции, воздействие токсинов окружающей среды или другие формы стресса, меняют активность генов, оставляя молекулярные следы в клетке. Эти изменения происходят в основном на уровне матричной РНК (мРНК) — молекул, которые кодируют генетическую информацию при активации и считывании генов (транскрипция). Активность гена можно исследовать, измеряя количество молекул мРНК в клетке. Однако следы транскрипции быстро исчезают, так как мРНК нестабильна и клетки часто разрушают её.
Кольцевая ДНК как система записи
Исследователи под руководством Рэндалла Платта разработали молекулярную систему записи, которая фиксирует события транскрипции в ДНК, где они могут постоянно храниться и позже считаны с помощью секвенирования.
Для создания «устройства записи» использовали систему CRISPR-Cas — адаптивную иммунную систему бактерий и архей. Она функционирует как иммунологическая память, записывая генетическую информацию о патогенах в специфический участок ДНК — CRISPR-массив (процесс приобретения).
CRISPR-массивы могут хранить короткие последовательности ДНК («спейсеры») от патогена, разделённые идентичными последовательностями (прямые повторы).
Учёные работали с кишечной бактерией Escherichia coli, внедрив в неё гены системы CRISPR-Cas от другого вида бактерий. Один из генов Cas был слиян с геном обратной транскриптазы — фермента, который на основе молекулы РНК производит ДНК с той же информацией (транскрибирует РНК обратно в ДНК).
Клетки E. coli с этой чужеродной CRISPR-Cas системой могли производить белковый комплекс, связывающий короткие молекулы мРНК. Обратная транскриптаза переводила эти РНК-спейсеры в ДНК, содержащую ту же информацию, и затем сохраняла их в CRISPR-массиве. Процесс может повторяться многократно, причём новые спейсеры добавляются в массив в обратном хронологическом порядке (самый свежий — всегда первый).
В принципе, это позволяет записать любое количество спейсеров в CRISPR-массив. Поскольку ДНК очень стабильна, записанная информация хранится долго и передаётся следующим поколениям бактерий.
«Наша система — это биологический регистратор данных. Он записывает генетический ответ бактерий на внешние воздействия и позволяет получить доступ к этой информации даже через многие поколения», — говорит ведущий автор исследования Флориан Шмидт. Работа опубликована в журнале Nature.
Доступ ко всей «книге записей»
До сих пор исследователи были ограничены измерением мРНК только в один момент времени (снимок), что обычно означает разрушение клетки. Новая система CRISPR-Cas RNA recording записывает историю клетки, позволяя получить доступ ко всей «книге записей», а не к отдельному моменту.
В рамках исследования учёные записали реакцию бактерий E. coli с регистратором на гербицид паракват. Это вещество вызывает изменения в транскрипции мРНК, и учёные смогли считать этот ответ из CRISPR-массивов даже спустя дни после воздействия. Без регистратора любые молекулярные следы контакта с гербицидом давно бы разрушились, и информация была бы утеряна.
Такие биологические регистраторы данных могут быть интересны не только для исследований, но и, возможно, использоваться в диагностике или в качестве сенсоров для измерения токсинов окружающей среды, таких как гербициды. Настоящее исследование демонстрирует осуществимость такого подхода, хотя практическое применение ещё далеко. Команда Рэндалла Платта уже работает над переносом системы на другие типы клеток и созданием основы для её эффективного использования в качестве диагностического инструмента.