飞机的飞行记录仪和照相机可以帮助调查人员理解复杂的事件，寻找真相。在科学研究领域，细胞生物学家也在试图建立他们自己的数据记录仪器，例如通过将目的基因与荧光蛋白基因联系起来，我们就可以了解阐明诸如癌症出现、衰老、环境影响和胚胎发育等过程。具有革命性基因编辑工具CRISPR的出现，为新型细胞记录仪提供了更好的记录手段，新型细胞记录仪借助CRISPR可以捕获DNA数据。

近日，Science在线发表了一项CRISPR新研究成果，哈佛大学化学家DavidLiu和WeixinTang博士展示了两种CRISPR介导的模拟多事件记录仪——CAMERA系统。在验证实验中，研究人员利用该系统成功记录了细菌和人类细胞对光照、抗生素、病毒感染等多种刺激的反应以及Wnt信号变化。

研究人员提出了两种CRISPR介导的模拟多事件记录装置（CAMERA）系统，利用碱基编辑器和Cas9核酸酶记录细菌和哺乳动物细胞中的细胞事件。前者能特异性的识别DNA序列，而后者负责剪切识别位点。该系统使用CAMERA1记录信号振幅或持续时间显示互斥DNA序列的比率变化，CAMERA2则通过记录信号振幅或持续时间展示单碱基修饰变化。在验证实验中，给予刺激的顺序可以通过重叠的指导RNA设计进行记录，并且记录可以在多个循环中被擦除和重新录入。此外，当记录多拷贝质粒信息时，只需要10-100个细胞就可以得到可靠的数据。

加州大学伯克利分校的蛋白质工程师DaveSavage表示，这项研究的创新之处在于利用CRISPR发现细胞分子途径，是一种非常有创造性的方法。

众所周知，CRISPR的初始作用为定位并切割双螺旋DNA，广泛用于基因敲除与基因编辑。但是在CRISPR切割的过程中，它们可以向目标基因引入随机错误，使其失效。有几个研究团队已经将这些随机误差当作标记（或条形码），来跟踪细胞如何从一种状态到另一种状态。而“CAMERA”的机制则是利用外来信号对CRISPR系统的刺激作用，记录这种作用引起的遗传信息改变，通过记录遗传变化就能够了解细胞受到的刺激。

DavidLiu表示，为寻求更清晰的信息记录，CAMERA不仅要记录一个细胞是否经历过刺激，而且还记录刺激强度以及持续时间，我们希望能够看到某些细胞是执行还是忽略某些信号来停止生长，这有助于更好地了解癌症的发生。

CAMERA的第一种形式利用了质粒自我复制但严格保持一定的种群数目的特性。该形式包含了两种质粒R1和R2，两者初始比例是稳定的。记录仪还含有一种特殊的质粒，该质粒被引入了含有CRISPR组分的基因，当细胞受到外来刺激时，能激活该质粒，并在细胞内转录或翻译出向导RNA和Cas9酶，作用于R1质粒，使其数目发生变化。例如，在研究者们进行的一项测试中，当他们把一抗生素激活的CAMERA系统装于细菌中，通过测序细菌并记录R1:R2的变化，研究者们便能够知道细胞暴露于药物的时长。

CAMERA的第二种形式则使用了修饰过的Cas9酶，该酶不能切割双链DNA，但却能作用于胞嘧啶使其转化为胸腺嘧啶。当CRISPR系统被激活时，向导RNA把Cas9酶定位至“安全港”的基因，这类基因能够被任意改变而不损害细胞。研究者们能通过观察“安全港”基因胞嘧啶的改变情况，间接记录信号作用的强度。例如，在另一项测试中，研究者们通过激活Wnt通路（该通路在胚胎发育和癌症发生中发挥着重要的作用），使CAMERA开启，以记录刺激信号对Wnt通路的作用。

事实上，DavidLiu并不是第一个利用CRISPR创建记录仪的研究者，在此之前，已有部分科学家进行了相关研究，其中包括剑桥麻省理工学院的TimothyLu。但Lu指出，他研究设计的系统mSCRIBE作为模拟记录装置，可记录生物事件的持续时间或幅度信息，但这仅限于细菌，与CAMERA相比，它还需要“一个数量级”的更多的细胞才能获取、记录可靠地信号，并且信噪比较差。而CAMERA能够利用仅包含10个细胞的样本工作，其意义至关重大。因为所需细胞越少，代表着测量精确度也越高。他表示，DavidLiu的这项新研究“非常美丽”，并且效率和精度水平超出了我们以前的水平。

哈佛大学遗传学家GeorgeChurch指出，如果想要绘制一幅大脑活动图，每一个细胞都不同且至关重要。同时，CAMERA的另一个重要意义在于，它能够记录信号作用的时间与强度。以癌症为例，这能帮助我们观测癌细胞在不同阶段对不同信号的响应情况，以阐明其增殖机理。Church表示：“理想情况是有一个单分子自动记录仪，能记录可读的DNA序列，并告诉我们在每段时间内每个细胞在发生着什么。”

此外，CAMERA还有其他潜在的功能，例如清除已记录的信息、通过药物“重置”质粒比等。CAMERA还可以同时或先后记录几个不同的信号对细胞的作用。但是CAMERA想要证明自己的价值，研究人员必须要证明它能够在动物体内也发挥作用，而不只是在体外细胞实验中。

参考文献：

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