课题组工作 | Sci. Adv. | 基于DNA回路的分子事件记录

在生物体系中，分子信号的相对起始时间、强度以及持续时间对理解生物体系中信号转导和遗传调控网络的运作至关重要。时序性分子事件可以影响或直接指示下游活动的发生。例如mRNA信号的产生是一种基因表达导致特定蛋白质产生的时序性分子事件，不同基因表达的顺序、大小和持续时间对细胞命运和功能的进化有着深远的影响。然而，由于检测设备的可及性、信号采集的连续性等限制，现有的分子检测技术在监测动态生物分子信号方面仍存在巨大的挑战。

作为自然界中用于信息传递和储存的分子，核酸在生物分子的检测、信号处理及高密度信息存储等方面具有巨大的优势和潜力。现有的研究已经证明，使用核酸反应网络构建计算体系可用于整合多种输入分子信息并得到简洁的结果输出。此外，碱基序列也被开发用于信息存储，并使用测序的方法进行信息的读出。这种准确性高、高度生物兼容的高效的数据处理范式提供了原位长期连续监测动态分子信息的可能。

近日，谭蔚泓院士、韩达研究员团队在《Science Advances》杂志在线发表了题为“A DNA circuit that records molecular events”的研究文章。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持，上海交通大学医学院分子医学研究院致远计划博士研究生张铭芷为该论文的第一作者，谭蔚泓院士，韩达研究员，和Rebecca Schulman副教授为通讯作者。该研究中的理论模型建立得到了Schulman Lab的支持。

研究描述了一种基于DNA回路的分子事件记录器设计，用于生物分子的出现顺序、浓度以及持续时间等动态信息的记录。该记录器使用核酸链置换反应对分子信号进行信息处理，并通过引物交换的链延伸反应将处理后的信息编码到单链核苷酸上，使其可以通过DNA测序解码所记录的分子事件。这种同步和高度可编程的多参数记录对瞬时分子事件的检测和记录具有较高的准确率，有望实现动态反应环境或组织中的分子事件的大规模破译。

在这项研究中，作者针对分子事件描述中涉及的顺序、浓度和持续时间等参数分别设计了信号检测与信息转换模块，并使用引物交换的链置换反应(Primer Exchange Reaction, Kishi et al. 2018)将这些信息记录到单链核苷酸上(图1)。

图1. 分子事件记录器工作原理

在描述事件时，相对顺序(Order)是指两种或以上目标分子的先后出现时间，浓度(Concentration)是指目标分子在观察区域的初始强度，持续时间(Duration)是指目标分子在这些区域的当前时间。在分子事件记录器架构中，输入分子是具有特定序列的寡核苷酸，其分子事件信息按照“顺序-浓度-持续时间”的写入顺序依次记录在输出产物的不同区域中，组成该分子事件的条形码。

对于顺序信息的识别，作者使用不同杂交稳定性的引物通过反应动力学调控进行顺序先后的区分：先出现的分子信号能优先使用带有“Earlier”标记的、与模板杂交更稳定引物进行后续的信息记录，而后出现的分子信号则更大概率使用带有“Later”标记的、与模板杂交更不稳定的引物(图2)。

图2. 顺序模块设计原理

对于浓度信息的识别，作者使用了具有不同长度toehold的信号转换器件，通过不同浓度的输入链对两者的响应速率差异进行浓度高低信息的区分：低浓度输入对具有较长toehold的转换器件响应更强，而高浓度输入对两者的响应相近(图3)。通过计算被标记为“低浓度”和“高浓度”信息的记录产物比例，可以反推得到分子的初始浓度。

图3. 浓度模块设计原理

对于持续时间信息的识别，作者设计了串联的延时门和“与”门(图4)，当且仅当计时结束且输入信号仍存在时，长持续时间信息被记录。这种设计使得长持续时间的信息与短持续时间信息被区分：短时间输入的响应更强，而长时间输入对两者的响应相近。通过计算被标记为“短时间”和“长时间”信息的记录产物比例，可以反推得到分子事件的持续时间。

图4. 延迟门和“与”门串联设计

最后，作者通过建立理论模型对记录产物进行分析，并评估了分子事件记录器的记录能力，展示了该记录策略在动态分子信息记录的潜力(图5)。

图5. 分子记录器中各模块的记录性能评估

综上，该研究展示了一种可同时检测和顺序记录的一锅法分子事件记录器设计策略。该策略利用检测不同分子特性的并行功能模块，通过测序解码和读出分子事件信息。这种同步多参数的记录方法可以设置多个用户希望检测的参数，且核酸信息储存模式可以支持对在生物活动中表现异常的重要分子进行可靠的长期分析，是进行细胞命运预测、疾病诊断或治疗计划决策的潜在方案。

论文信息:

Mingzhi Zhang et al. ,A DNA circuit that records molecular events.Sci. Adv.10,eadn3329(2024).

DOI:10.1126/sciadv.adn3329