Вчені придумали, як використовувати систему CRISPR-Cas для того, щоб змушувати клітини послідовно записувати у власний геном «історію» біологічних сигналів. Це дозволить відстежувати, наприклад, зміни в метаболізмі та рівні експресії генів, а також розрізняти клітинні лінії за характером біохімічних процесів. Дослідження опубліковано в журналі.
Система CRISPR-Cas широко використовується зараз для геномного редагування, але в природі вона потрібна бактеріям, зокрема, для того, щоб боротися з чужорідним (наприклад, вірусним) генетичним матеріалом. Система має здатність «вписувати» у власний геном шматочки чужорідної ДНК, щоб потім, користуючись цими записами, як шаблонами, знаходити таку ДНК в цитоплазмі і розрізати її, борючись таким чином з патогенами. Ділянки-шаблони називаються «спейсерами», і розташовуються вони в строго черговому порядку - нові спейсери завжди додаються в CRISPR-касету в геномі з одного і того ж кінця.
Вчені скористалися цією особливістю CRISPR-системи і розробили технологію, яку назвали TRACE (від англійського слова «відстежувати»; абревіатура розшифровується як «Temporal Recording in Arrays by CRISPR Expansion»). Технологія заснована на такому принципі: невеликі ділянки ДНК, які називаються тригерними спейсерами, «записуються» в CRISPR-касету під впливом певних сигналів, а коли сигналів немає, замість цього туди записуються звичайні, «референсні» спейсери в звичному для клітці темпі. Після цього, прочитавши касету, можна детектувати, коли і який саме спейсер в неї вбудувався, і зрозуміти таким чином, які зміни відбувалися в клітці з плином часу.
Тригерні спейсери з'являються в клітці за рахунок спеціальних штучних плазмід (кільцевих молекул ДНК, що несуть кілька генів, які можуть самостійно репліціюватися). Вони були сконструйовані таким чином, що при підвищенні рівня заданої сигнальної молекули (спочатку це був ІПТГ, ізопропіл-лід-D-1-тіогалактопіранозид) в середовищі у них підвищувалася експресія білка, відповідального за реплікацію плазміди, що, в свою чергу, істотно збільшувало кількість плазмід цього типу в клітці. Переконавшись, що ця система працює, вчені також зробили інші плазміди, з генами, що кодують білки Cas1 і Cas2. Ці білки відповідальні за вбудовування нових спейсерів у CRISPR. Експресія цих генів також контролювалася за допомогою певних сигнальних молекул (ангідротетрацикліну). Включення експресії генів другого типу плазмід (тобто синтез Cas1 і Cas2) обумовлювало успішне вбудовування в CRISPR-касети значущої кількості спейсерів з плазмід першого типу, яких у клітці при активації ІПТГ ставало дуже багато.
Спейсери вбудовувалися в касети з різною швидкістю, і для врахування цих відмінностей вчені створили аналітичну модель, що дозволяє розрахувати ймовірність вбудовування тих чи інших спейсерів у певні позиції при виникненні або відсутності сигналу. Протестувавши технологію на кишкових паличках (Escherichia coli), вони переконалися, що система TRACE дозволяє успішно відстежувати додавання і виключення ІПТГ у часі. Після цього вони розширили експеримент, змусивши систему в трьох різних типах клітин реагувати на три різні типи біологічних сигналів протягом трьох днів. Як сигнали використовували мідь, тригалозу і фукозу, які з'являлися в середовищі в різний час в різному порядку. Система буквально записувала відповідну послідовність в CRISPR і потім цей запис можна було прочитати за допомогою секвенування і розшифрувати, користуючись аналітичною моделлю.
Вчені вважають, що нова система, що послідовно записує те, що відбувається в клітці, може бути використана для тимчасової оцінки зміни експресії генів і метаболічних процесів, в тому числі в середовищах, в яких незручно відстежувати ці процеси іншим чином - наприклад, в мікробіомах кишечника тварин або в морських спільнотах бактерій. Швидкість запису можна буде також редагувати за допомогою зміни роботи білків Cas - вчені збираються далі вдосконалювати систему, роблячи її більш точною і чутливою. Домігшись певної міри чутливості, можна буде записувати зміни навіть всередині окремих клітин, вважають вони.
А про редагування всіх точкових мутацій за допомогою CRIPSR, але без розрізання подвійного ланцюга ДНК, ви можете прочитати тут.