Учёные нашли новый способ использования системы CRISPR-Cas, чтобы заставить клетки последовательно записывать в собственный геном «историю» биологических сигналов. Благодаря этому можно будет отслеживать изменения в метаболизме и уровне экспрессии генов. Также будет проще различать клеточные линии по характеру проходящих в них биохимических процессов.
Система CRISPR-Cas используется для геномного редактирования. В природе бактерии нуждаются в ней, чтобы бороться с чужеродным генетическим материалом, таким как вирус. Система обладает способностью «вписывать» в собственный геном кусочки чужеродной ДНК, чтобы затем, пользуясь этими записями, как шаблонами, находить такую ДНК в цитоплазме и разрезать ее, борясь таким образом с патогенами. Участки-шаблоны носят имя «спейсеры». Расположение у них строго по очереди: новые спейсеры добавляются в CRISPR-кассету в геноме с одного и того же конца.
Опираясь на особенности этой системы, учёные разработали технологию с названием TRACE (от английского слова «отслеживать»; аббревиатура расшифровывается как «Temporal Recording in Arrays by CRISPR Expansion»). Она основана на принципе, при котором небольшие участки ДНК – триггерные спейсеры – «записываются» в CRISPR-кассету под воздействием определенных сигналов. В случае отсутствия сигналов вместо этого туда записываются обычные, «референсные» спейсеры в привычном для клетки темпе. После этого, прочтя кассету, можно детектировать, когда и какой именно спейсер в нее встроился.
Триггерные спейсеры появляются внутри клетки благодаря специальным искусственным плазмидам (кольцевые молекулы ДНК, несущие несколько генов, которые могут самостоятельно реплицироваться). При повышении уровня заданной сигнальной молекулы в среду у них повышалась экспрессия белка, ответственного за репликацию плазмиды, что, в свою очередь, существенно увеличивало количество плазмид этого типа в клетке. Убедившись, что эта система работает, ученые также сделали другие плазмиды, с генами, кодирующими белки Cas1 и Cas2. Эти белки ответственны за встраивание новых спейсеров в CRISPR. Экспрессия этих генов также контролировалась с помощью определенных сигнальных молекул (ангидротетрациклина). Включение экспрессии генов второго типа плазмид (то есть синтез Cas1 и Cas2) обуславливало успешное встраивание в CRISPR-кассеты значимого количество спейсеров из плазмид первого типа, которых в клетке при активации ИПТГ становилось очень много.
Спейсеры встраивали в кассеты с разной скоростью, а для учёта этих различий специалисты создали аналитическую модель, позволяющей рассчитать вероятность встраивания тех или иных спейсеров в определенные позиции при возникновении или отсутствии сигнала. После опытов на кишечных палочках учёные поняли, что система TRACE позволяет успешно отслеживать добавление и исключение ИПТГ во времени. После этого эксперимент был расширен, а систему заставили в трёх разных типах клеток реагировать га три разных типа биологических сигналов в течение трёх дней. В качестве сигналов использовали медь, трегалозу и фукозу, которые появлялись в среде в разное время в разном порядке. Система буквально записывала соответствующую последовательность в CRISPR и потом эту запись можно было прочесть с помощью секвенирования и расшифровать, пользуясь аналитической моделью.
Специалисты уверены, что новая система может быть использована для временной оценки изменения экспрессии генов и метаболических процессов, в том числе в средах, в которых неудобно отслеживать эти процессы иным образом — например, в микробиомах кишечника животных или в морских сообществах бактерий.
Выделите ее и нажмите Ctrl + Enter