Запись генома делает живые клетки своими собственными историками

Теперь геномам можно доверить хранение информации о различных преходящих биологических событиях внутри живых клеток по мере их возникновения, подобно тому, как бортовой самописец собирает данные с самолета. Новое исследование было опубликовано в журнале Nature.

«Наш метод, который называется аббревиатурой ENGRAM, направлен на то, чтобы превратить клетки в своих собственных историков», — сказал доктор Джей Шендуре, профессор геномных наук в Медицинской школе Вашингтонского университета и научный руководитель Института прецизионной медицины Бротмана Бати. Шендуре руководил работой вместе с Вэй Ченом и Джунхоном Чоем. 

ENGRAM означает геномную запись транскрипционной активности с помощью усилителя в мультиплексе. Аббревиатура была вдохновлена термином из нейронауки, который относится к физической основе памяти.

«ENGRAM связывает каждый вид биологического сигнала или события с символическим штрихкодом. Этот подход предлагает новый метод записи и дополняет ранее разработанные методы молекулярной записи», — сказал Вэй Чэнь.

Эта новая стратегия отслеживает и архивирует тип и время биологических сигналов, вставляя эту информацию в геном. Например, это может включать отслеживание команд, которые включают или выключают гены. Такие записи могут содержать подсказки о том, что происходит внутри стволовых клеток, чтобы подтолкнуть их к превращению в другие типы клеток. Это также может дать представление о других вопросах о том, как функционируют клетки и как их прошлое влияет на их будущее.

Шендуре сказал, что создание биологической записи клеточной активности — старая идея. Однако исследователи столкнулись с трудностями при измерении более чем нескольких сигналов в одной и той же системе, а также при регистрации порядка, в котором возникали множественные сигналы.

Несколько лет назад Чой, Шендуре и их коллеги преодолели некоторые из этих препятствий с помощью метода, называемого DNA Typewriter. С помощью этой системы исследователи могли записывать множество символов в ДНК в упорядоченном виде. Однако оставалась проблема, как закодировать биологическое значение в каждом символе.

«Печатная машинка ДНК аналогична клавиатуре со множеством символов. С помощью ENGRAM мы делаем эти символы специфичными для различных биологических сигналов, представляющих интерес», — сказал Шендуре.

В статье Шендуре и его команда описали, как символическая запись может следовать за действиями некодирующих участков ДНК, которые контролируют производство белка соседних генов. Они также продемонстрировали, как можно объединить ENGRAM и DNA Typewriter. Ученые смогли записать специфичные для типа клеток действия десятков или сотен таких видов генно-регуляторных элементов.

Некоторые регионы, которые они отслеживали, являются частью сетей регуляции генов, стоящих за несколькими аспектами эмбрионального развития. Другие сигналы, которые они отслеживали, опосредуют реакции клеток на стресс, иммунные реакции на инфекцию и выживание клеток.

Они также применили ENGRAM для ежедневной записи стволовых клеток мыши , которые объединялись в эмбриональные органоиды, лабораторную модель пренатального развития мыши. ENGRAM может в конечном итоге помочь ответить на вопрос, как, например, история событий клеточной сигнализации сформировала индивидуальные характеристики эмбриона мыши.

«Поскольку нас вдохновили новые достижения в области CRISPR для разработки систем ENGRAM и DNA Typewriter, я полагаю, что эти работы вдохновят других на дальнейшее совершенствование технологий геномной записи — так, что, возможно, однажды мы сможем записать всю историю клеток», — сказал Чой.

Исследователи, разрабатывающие ENGRAM, говорят, что еще предстоит проделать большую работу, чтобы понять, на что потенциально способен этот метод и связанные с ним технологии записи на основе генома.

«Это стратегия сбора биологической информации в живых системах. Она не привязана к какой-то конкретной области, например, к онкологии или нейробиологии, и, как мы надеемся, будет полезна во всех областях», — сказал Шендуре.