基因组记录使活细胞成为自己的历史学家

基因组现在可以被委托在活细胞内存储各种瞬态生物事件的信息，就像飞行记录仪从飞机上收集数据一样

华盛顿大学医学院基因组科学教授、布罗特曼-巴蒂精准医学研究所科学主任Jay Shendure博士说：“我们的方法，缩写为ENGRAM，旨在将细胞变成自己的历史学家。”。申德与前研究生陈伟和前博士后蔡俊宏一起领导了这项工作。Choi现在是纽约纪念斯隆-凯特琳癌症中心的助理研究员。

ENGRAM代表多重转录活性的增强子驱动基因组记录。这个缩写词的灵感来自一个神经科学术语，指的是记忆的物理基础

7月17日，《自然》杂志发表了一份概念验证报告，展示了ENGRAM的一些功能

“ENGRAM将每种生物信号或事件耦合到一个符号条形码上。这种方法提供了一种新的记录方法，并补充了以前开发的分子记录技术，”魏晨说，他现在是华盛顿大学蛋白质设计医学研究所的博士后研究员

这一新策略通过将这些信息插入基因组来追踪和存档生物信号的类型和时间。例如，这可能包括密切关注打开或关闭基因的命令。这些记录可能为干细胞内发生的事情提供线索，以刺激它们变成不同的细胞类型。它还可能为细胞如何运作以及它们的过去如何影响未来的其他问题提供见解

Shendure说，创建细胞活动的生物记录是一个古老的想法。然而，研究人员在测量同一系统中的多个信号以及记录多个信号发生的顺序时遇到了困难

几年前，Choi、Shendure和他们的同事用一种名为DNA打字机的方法克服了其中的一些障碍。有了这个系统，研究人员可以以有序的方式将许多符号写入DNA。然而，如何为每个符号编码生物意义仍然是一个挑战

Shendure说：“DNA打字机类似于带有许多符号的键盘。使用ENGRAM，我们可以使这些符号特定于各种感兴趣的生物信号。”

在这篇论文中，Shendure和他的团队描述了符号记录如何跟随控制邻近基因蛋白质产生的非编码DNA区域的动作。他们还展示了如何将ENGRAM和DNA打字机结合起来。科学家们能够记录数十到数百种这种基因调控元件的细胞类型特异性活动

他们追踪的一些区域是胚胎发育几个方面背后的基因调控网络的一部分。他们追踪的其他信号介导了细胞对压力的反应、对感染的免疫反应和细胞存活

他们还应用ENGRAM对小鼠干细胞聚集成胚胎类器官时的日常记录，胚胎类器官是小鼠产前发育的实验室模型。例如，ENGRAM可能最终有助于回答细胞信号事件的历史是如何塑造小鼠胚胎的个体特征的

Choi说：“当我们受到CRISPR领域开发ENGRAM和DNA打字机系统的新进展的启发时，我想这些论文将激励其他人进一步改进基因组记录技术，这样也许有一天我们会记录细胞的整个历史。”

开发ENGRAM的研究人员表示，仍需开展工作，以实现它和相关的基于基因组的记录技术的潜在功能。

“这是一种在生命系统中捕获生物信息的策略。它并不特定于癌症或神经科学等特定领域，希望它能全面发挥作用，”Shendure说

Shendure指出，该论文所涵盖的研究在西雅图合成生物学中心的发展中发挥了重要作用，该中心是艾伦研究所、陈-扎克伯格倡议和华盛顿大学于去年12月启动的一项合作。Shendure担任该项目的首席科学总监，该项目正在设计新技术来记录细胞随时间的变化历史 More information: Jay Shendure, Symbolic recording of signalling and cis-regulatory element activity to DNA, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07706-4. www.nature.com/articles/s41586-024-07706-4

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