在生物體系中，分子信號的相對起始時間、強度以及持續(xù)時間對理解生物體系中信號轉導和遺傳調控網絡的運作至關重要。時序性分子事件可以影響或直接指示下游活動的發(fā)生。例如mRNA信號的產生是一種基因表達導致特定蛋白質產生的時序性分子事件，不同基因表達的順序、大小和持續(xù)時間對細胞命運和功能的進化有著深遠的影響。然而，由于檢測設備的可及性、信號采集的連續(xù)性等限制，現(xiàn)有的分子檢測技術在監(jiān)測動態(tài)生物分子信號方面仍存在巨大的挑戰(zhàn)。作為自然界中用于信息傳遞和儲存的分子，核酸在生物分子的檢測、信號處理及高密度信息存儲等方面具有巨大的優(yōu)勢和潛力。現(xiàn)有的研究已經證明，使用核酸反應網絡構建計算體系可用于整合多種輸入分子信息并得到簡潔的結果輸出。此外，堿基序列也被開發(fā)用于信息存儲，并使用測序的方法進行信息的讀出。這種準確性高、高度生物兼容的高效的數(shù)據(jù)處理范式提供了原位長期連續(xù)監(jiān)測動態(tài)分子信息的可能。近日，譚蔚泓院士、韓達研究員團隊在《Science Advances》雜志在線發(fā)表了題為“A DNA circuit that records molecular events”的研究文章。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目支持，上海交通大學醫(yī)學院分子醫(yī)學研究院致遠計劃博士研究生張銘芷為該論文的第一作者，譚蔚泓院士，韓達研究員，和Rebecca Schulman副教授為通訊作者。該研究中的理論模型建立得到了Schulman Lab的支持。研究描述了一種基于DNA回路的分子事件記錄器設計，用于生物分子的出現(xiàn)順序、濃度以及持續(xù)時間等動態(tài)信息的記錄。該記錄器使用核酸鏈置換反應對分子信號進行信息處理，并通過引物交換的鏈延伸反應將處理后的信息編碼到單鏈核苷酸上，使其可以通過DNA測序解碼所記錄的分子事件。這種同步和高度可編程的多參數(shù)記錄對瞬時分子事件的檢測和記錄具有較高的準確率，有望實現(xiàn)動態(tài)反應環(huán)境或組織中的分子事件的大規(guī)模破譯。在這項研究中，作者針對分子事件描述中涉及的順序、濃度和持續(xù)時間等參數(shù)分別設計了信號檢測與信息轉換模塊，并使用引物交換的鏈置換反應(Primer Exchange Reaction, Kishi et al. 2018)將這些信息記錄到單鏈核苷酸上(圖1)。在描述事件時，相對順序(Order)是指兩種或以上目標分子的先后出現(xiàn)時間，濃度(Concentration)是指目標分子在觀察區(qū)域的初始強度，持續(xù)時間(Duration)是指目標分子在這些區(qū)域的當前時間。在分子事件記錄器架構中，輸入分子是具有特定序列的寡核苷酸，其分子事件信息按照“順序-濃度-持續(xù)時間”的寫入順序依次記錄在輸出產物的不同區(qū)域中，組成該分子事件的條形碼。對于順序信息的識別，作者使用不同雜交穩(wěn)定性的引物通過反應動力學調控進行順序先后的區(qū)分：先出現(xiàn)的分子信號能優(yōu)先使用帶有“Earlier”標記的、與模板雜交更穩(wěn)定引物進行后續(xù)的信息記錄，而后出現(xiàn)的分子信號則更大概率使用帶有“Later”標記的、與模板雜交更不穩(wěn)定的引物(圖2)。對于濃度信息的識別，作者使用了具有不同長度toehold的信號轉換器件，通過不同濃度的輸入鏈對兩者的響應速率差異進行濃度高低信息的區(qū)分：低濃度輸入對具有較長toehold的轉換器件響應更強，而高濃度輸入對兩者的響應相近(圖3)。通過計算被標記為“低濃度”和“高濃度”信息的記錄產物比例，可以反推得到分子的初始濃度。對于持續(xù)時間信息的識別，作者設計了串聯(lián)的延時門和“與”門(圖4)，當且僅當計時結束且輸入信號仍存在時，長持續(xù)時間信息被記錄。這種設計使得長持續(xù)時間的信息與短持續(xù)時間信息被區(qū)分：短時間輸入的響應更強，而長時間輸入對兩者的響應相近。通過計算被標記為“短時間”和“長時間”信息的記錄產物比例，可以反推得到分子事件的持續(xù)時間。最后，作者通過建立理論模型對記錄產物進行分析，并評估了分子事件記錄器的記錄能力，展示了該記錄策略在動態(tài)分子信息記錄的潛力(圖5)。綜上，該研究展示了一種可同時檢測和順序記錄的一鍋法分子事件記錄器設計策略。該策略利用檢測不同分子特性的并行功能模塊，通過測序解碼和讀出分子事件信息。這種同步多參數(shù)的記錄方法可以設置多個用戶希望檢測的參數(shù)，且核酸信息儲存模式可以支持對在生物活動中表現(xiàn)異常的重要分子進行可靠的長期分析，是進行細胞命運預測、疾病診斷或治療計劃決策的潛在方案。Mingzhi Zhang et al. ,A DNA circuit that records molecular events.Sci. Adv.10,eadn3329(2024).DOI:10.1126/sciadv.adn3329
