Nature | 新技术为生物信号和基因表达的测量和记录提供新范式

生命科学研究中一个核心的问题是理解生物状态和过程，包括发育和疾病。人是一切社会关系的总和。细胞也是其“细胞历史”的总和。细胞历史可以理解为以下两个方面：1. 细胞与其他细胞的谱系关系，2. 在细胞发育以及病变过程中所收到的内部和外部信号，包括信号的种类，强度以及持续的时间。传统的生物学手段在理解以上两个方面都有很大的局限性。例如，传统的系谱追踪手段依赖于直接观察或者选择性标记，而大部分模式生物都包含百万甚至万亿个细胞。普通的标记手段无法标记这么多的细胞。组学手段包括单细胞转录组【1-3】能高通量的提供细胞状态的快照，但不能记录细胞之间的联系以及细胞状态变化的起因。那么是否有可能开发细胞内部的记录仪，让细胞成为自己的“历史学家”呢？近来基因编辑技术的发展以及DNA作为信息载体的天然特性，为克服当前测量范式的局限性提供了一条潜在途径。已经有不少工作报道了用DNA 条形码来作为细胞谱系追踪的技术【4-8】，然而细胞信号的记录仍是一片空白。

近日，来自华盛顿大学Jay Shendure团队在Nature杂志上发表了文章Symbolic recording of signalling and cis-regulatory element activity to DNA。文章中作者 开发了一项利用引导编辑的技术，能同时记录多个信号的种类，强度，以及先后顺序。作者还将该系统应用于体外类器官系统，成功记录了类器官发育过程中经典信号通路的动态变化过程。借用神经科学中ENGRAM （记忆储存的载体）的概念，作者将该技术命名为ENGRAM， 作细胞记忆之意。该研究为生物信号和基因表达的测量和记录提供了新的范式。

基于DNA的记录系统包括三个元件：一个DNA 编辑器 （引导编辑器，Prime Editor) ，一段信息 （编译在pegRNA中） ，一个整合到基因组的DNA磁带。这样，引导编辑器会将编译在pegRNA 中的信息写到DNA 磁带中，信息就能被永久的保存在基因组中，且随着细胞的分裂而自我复制。

受传统报告系统启发，作者利用顺式调控元件 （cis-regulatory element, CRE or enhancer) 来表达pegRNA，每个pegRNA包含一个独特的符号 （symbol, DNA barcode) ，但都指向同一个DNA target。这样就能在同一个DNA 磁带上记录下不同信号的信息。作者开发了几种不同的表达架构，发现5’ ENGRAM 和3’-FT ENGRAM 两种架构信噪比最好。在文中所有的均是5’ 架构。

作者首先利用该系统来检验ENGRAM 是否能够准确记录多个调控元件的活性。作者挑选了300个在K562细胞中已知活性的调控元件，并同时测量了RNA的表达量和记录在DNA磁盘中符号的数量。结果显示两种检测方法高度吻合。DNA 磁盘记录的另一个优势在于，只需少量细胞就能准确测量出调控元件的活性。该方法展现了高度扩展性，有潜力能同时测量数以万计的调控元件的活性。

接着作者又利用三个信号响应元件来检测ENGRAM 是否能够同时检测多个信号。结果发现，ENGRAM 对三个元件的响应都呈剂量相关(dose-dependent) 且同时记录多个信号时没有串扰 （crosstalk） 。

然后作者又将ENGRAM 和之前开发的DNA Typewriter (Choi et al. 2022) 技术相结合，记录了信号的时序。在原先设定的15个信号组合中，ENGRAM 能清楚的分出不同的信号。

最后，作者将该系统应用于类器官的发育。作者设计了98个调控元件作为信号通路和转录因子活性的探针。在类器官发育过程中，ENGRAM 很好的捕捉到了已知信号通路和主要转录因子的活性。

总而言之，该研究系统展示了基于DNA的信号记录系统的强大潜力。其在发育生物学以及疾病模型研究中有广泛的应用场景。例如，它可以帮助我们标记细胞的发育谱系以及发育过程中所收到的信号，以更好的了解发育过程中的细胞动态。在癌症生物学中，也可以很好的记录在癌症迁移中所收到的外界物理和化学信号，可能指导发现新的药物靶点来降低癌症迁移带来的危害。同时我们也可以设计工程细胞，实时监控体内细胞的稳态变化。

参考文献

1. Cao, J. et al. The single-cell transcriptional landscape of mammalian organogenesis.Nature566, 496–502 (2019).

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8. Choi, J. et al. A time-resolved, multi-symbol molecular recorder via sequential genome editing.Nature(2022) doi:10.1038/s41586-022-04922-8.

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07706-4