引言 /Introduction
引言 /Introduction
生物过程是随时间不断变化的，现有的组学是破坏性的，只提供细胞的静止状态，荧光探针和报告基因的实时成像能够更好地捕捉时间动态，但在检测物数量和其物理性质的导致这些方法的诸多限制。而 DNA 生物信息储存的天然媒介，是作为记录、储存信号的天然载体。近年来不断有使用 DNA 作为信息记录载体的研究以及公司出现，这篇于 2024 年发表在 Nature 的论文「Symbolic recording of signalling and cis-regulatory element activity to DNA」，给我们提供了使用 DNA 记录顺式作用原件和信号的新方法。
Wei Chen, Junhong Choi, Jay Shendure 等/ 作者
Zihao / 整理
范锐 / 审校
Zihao
技术简介
本论文中介绍了一种技术，名为 ENGRAM，即增强子驱动的多重转录活性基因组记录。该技术依靠引导编辑器 (Prime editor) 和其向导 RNA (pegRNA) 表达盒。引导编辑器为 David Liu 教授课题组于 2019 年开发的新型编辑器，其为 nCas9 (H840A) 与逆转录酶 (Reverse transcriptase, RT) 的融合蛋白，可以使用引导 RNA 对特定位点进行小片段的编辑。ENGRAM（见下图）主要由顺式作用元件 (CRE) 控制引导 RNA 的表达，在引导 RNA 表达并借由 Csy4 蛋白加工成熟后对特定位点进行编辑，由此实现对生物信号以及顺式作用元件活性的记录。
▲ ENGRAM 系统示意图
ENGRAM 系统的开发
在 ENGRAM 设计的过程中，引导 RNA 的成熟是要面对的重要问题。由于小非编码 RNA 由 RNA 聚合酶 III (Pol3) 控制表达，而需要记录的顺式作用元件一般使用 RNA 聚合酶 II (Pol2). 所以如何将引导 RNA 引入 Pol2 的控制是非常关键的问题。该使用 Csy4 对引导 RNA 进行转录后加工，并使用了多种不同的共转录表达途径，最终成功将整个系统的错误编辑率降低到了很低的水平（见下图）。
▲ 引导 RNA 和 Csy4 的共表达途径
除此之外，作者团队在 HEK293T 细胞中测试了编辑的可行性以及不同 barcode 的编辑效率。
ENGRAM 系统的测试
该团队首先测试了近 300 种顺式作用元件的表达量和编辑量的相关性，对比编辑率和 RNA-Seq 的结果，可以得出 ENGRAM 的结果与 RNA-Seq 高度相关（见下图）。
▲ ENGRAM 系统的编辑率测定
在此之后，作者团队记录了三种不同信号 Tet-On, NF-κB, WNT 在 ENGRAM 系统的编辑曲线
▲ ENGRAM 系统的记录曲线测定
最后，团队将 ENGRAM 系统与另一个 DNA 信号记录系统 DNA Typewriter 系统进行了结合（DNA Typewriter 详见下图论文：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04922-8）。
▲ 将 ENGRAM 和 DNA Typewriter 结合以实现不同信号的顺序记录
结语
参考链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07706-4
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04922-8
