Science综述：DNA读写和分子记录仪的新兴应用（一）

　　

自然生命由可进化的、基于DNA的记忆编码，统称为体内DNA读写的动态基因组工程技术（dynamic genome-engineering technologies）为研究和工程改造生物开辟了新途径。

这篇综述文章介绍了一些相关技术进展，概括了它们的前景和触手可及的应用，并讨论了这些技术用于构建处理和记录活细胞内各种信息遗传电路的特征和当前局限性。

基因组DNA因其普遍存在的耐久性和生物功能兼容性成为人工生物信息储存的理想介质，特别是随着先进DNA测序吞吐量的提升以及成本下降，优势日渐明显。

基因组编辑技术的出现，让我们随时随地可以动态地改变遗传信息，并利用基因组DNA的大容量在活细胞中进行信息处理和储存。在体内动态写入DNA技术为工程学和其他生命科学研究开辟了一条崭新的道路：从为了纵向研究生物进程的信号动力学而建立的分子记录器和活体生物传感器，到跟踪发育和分化过程中的细胞谱系而理性设计的活细胞遗传记忆元件和计算操作。

在这篇文章中，我们首先回顾了这些技术在各种生物和生物医学环境下的应用、前景和潜在用途，然后概述了当前体内DNA编写技术要点，最后总结了每种技术所能提供的存储结构和特征并讨论了它们目前存在的局限性。

DNA编写器（DNA writers）

DNA编写器是对活细胞内所含DNA进行有针对性、动态和重复修饰的基因编辑装置。修饰包括目标插入、删除、反转或碱基替换突变等形式，并可用于区分不同DNA记忆状态。

根据突变结果，DNA编写器大致可以分为两类：精确和伪随机编写器。精确的DNA编写器生产预定突变结果，细胞群体中的记忆状态可被明确转换。伪随机DNA编写器生产靶向但随机的突变结果，细胞群体中产生不可预测的突变特征。这两类DNA编写器提供不同级别的编码能力和对存储状态和操作的控制，适用于不同应用程序集。

1）精确的DNA编写器

迄今为止，有记载的精确DNA编写器有三种类型（如下表），每类具有不同的DNA写入效率，因而应用不同的记录制度。

位点特异性重组酶（site-specific recombinases）属于效率最高和最成熟的一类精确DNA编写器，根据DNA识别位点，这些酶可翻转或切除位于其同源位点之间的一段DNA，以定义的永久性DNA结构变形的方式记忆暴露于信号后的历史。由于它们相对效率最高，这些DNA编写器主要用于数字记录和建立数字计算分层合成基因电路。

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第二类是依赖于逆转录酶（reverse transcriptase，RT）介导的体内单链DNA（ssDNA）表达，随后重组以实现顺式元件独立的DNA编写。该系统可提供中等书写效率和更宽的分子记录动态范围，因为这类DNA编写器不需要靶位提供顺式编码元件，它们很适合用于进化工程。

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第三类精确DNA 编写器通过碱基编辑提供核苷酸分辨率的DNA操纵。在这个系统下，碱基编辑器，例如将胞嘧啶脱氨酶结构域与死亡Cas9（dCas9）融合，通过表达互补引导RNA（gRNA），在目标附近的窄窗口内产生脱氧胞嘧啶（dC）至脱氧胸腺嘧啶（dT）突变。由于操作基于CRISPR-Cas9系统，所以它们比其他精确DNA编辑器更具可扩展性。此外，它们可以与调节模块一起功能化，在活细胞中实现复杂的记录和计算操作。

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原文检索：Emerging applications for DNA writers and molecular recorders

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（生物通：伍松）