CRISPR技术的又一重要应用：将基因文库分析提高到一个新的水平

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瑞典乌普萨拉大学的研究人员开发出一种分析大型遗传文库中动态过程的新方法，通过这种方法研究细胞周期调控，能很方便的绘制出之前难以琢磨的调控机制。


这一技术公布在11月18日的Nature Methods杂志上。


现代基因技术能让我们在人类细胞或细菌中快速廉价地引入成千上万种不同的DNA修饰，从而创建了遗传文库。CRISPR-Cas9系统可以进行修改，改变成千上万种不同蛋白质的表达。如果用遗传条形码标记每个修饰，还可以跟踪哪个细胞携带哪个变化。


同时，光学和图像分析技术的最新发展也使得极高精度研究细胞内部的化学过程成为可能。原则上，可以在活细胞内的分子水平上“记录”基本的生物过程，例如蛋白质表达或细胞分裂。


如果将这些先进的光学方法与大规模基因工程相结合，那么就可以通过观察遗传文库中的生物学来鉴定参与此过程的所有基因。到目前为止，理论上需要花费多年的时间在单个实验中进行这样的分析。


阻止科学家将理论付诸实践的主要是技术上的问题：如何跟踪成千上万个不同的细胞，检查它们的生物学特性，然后读取遗传条形码？


一组乌普萨拉大学的研究人员直面了这一挑战，他们提出了一个名为DuMPLING方法，这种方法的全称是Dynamic u-fluidic Microscopy-based Phenotyping of a Library before IN situ Genotyping，也就是在原位基因分型之前，基于动态u流体显微镜对文库进行表型分型。这种方法可以检查单个微流控芯片中整个活细胞库。


这项研究的负责人，生物物理学教授Johan Elf说：“这种方法非常有效，使我们能够在一个全新的水平上将遗传信息与复杂细胞的行为联系起来。”


Elf和他的团队研究了细菌细胞周期。在包括人类细胞在内的所有细胞中，每次细胞分裂之前，所有DNA都必须复制一次，这至关重要。如果不是这样，细胞就会有丧失遗传物质或积累DNA的风险，这会造成严重的后果。尽管科学家们已经研究了细胞周期调节数十年，但仍不清楚细胞如何实现这种严格控制的。


“我们开发出可以重现该机制的模型，但是由于我们还不了解所有参与者，因此很难测试模型是否具有生物学相关性。通过这种新方法，就有可能识别出未知的成分，”乌普萨拉大学分子细胞生物学研究员Daniel Camsund说。


研究人员创建了一个基因库，在其中他们降低了各种已知细胞周期调节因子，以及一些未知基因的表达，然后使用DuMPLING方法研究这些修饰如何影响细胞周期。下一步是改变游戏规则，收集所有细胞周期数据后，将芯片中的培养基换成维持细胞，并将其固定在其位置的溶液。最后使用显微镜和颜色编码的DNA片段读取遗传条形码。


另外一位作者，Jimmy Larsson表示：“很高兴找到了这种颜色代码，但更幸运的是，我们不需要手动对其进行解码。我们有进行识别的软件。”

结果令人鼓舞。研究人员可以从数据中识别出大多数已知的调控元素，这意味着该方法行之有效。由于DuMPLING能生成时间分辨的数据，因此还可以判断各种修改如何影响细胞周期。在下一阶段，研究小组计划扩展该文库，使其包括细菌基因组中的所有基因。希望这将能得到细胞周期控制机制的完整描述。

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