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使用不断发展的遗传条形码实时记录每个细胞的历史记录

2019-04-01 15:02:05 • 来源：

所有人类都以单个细胞的形式开始生活，细胞重复分裂形成两个，然后是四个，然后是八个细胞，一直到构成新生儿的约260亿个细胞。追踪这些260亿个细胞是如何以及何时从一个受精卵中产生的，是发育生物学的一大挑战，这个领域到目前为止只能捕获和分析开发过程的快照。

使用不断发展的遗传条形码实时记录每个细胞的历史记录

现在，Wyss研究所和哈佛医学院(HMS)科学家开发的一种新方法最终将这项令人生畏的任务带入了可能的领域，使用不断发展的遗传条形码，积极记录发育中小鼠的细胞分裂过程，从而实现小鼠体内的细胞可以追溯到它的单细胞来源。

该研究发表于今天的“科学”杂志上。

“当前的谱系跟踪方法只能及时显示快照，因为你必须在物理上停止开发过程才能看到细胞在每个阶段看起来如何，就像看电影的各个帧一样，”资深作者乔治·丘奇说。博士，Wyss研究所创始核心教员，HMS遗传学教授，哈佛大学和麻省理工学院健康科学与技术教授。“这种条形码记录方法使我们能够重建每个成熟细胞发育的完整历史，就像实时向后播放完整的动态图像一样。”

遗传条形码是使用特殊类型的DNA序列创建的，该序列编码一种称为归巢指导RNA(hgRNA)的修饰RNA分子，该分子是在之前的论文中开发的。设计hgRNA分子使得当存在酶Cas9(CRISPR-Cas9成名)时，hgRNA将引导Cas9至其自身的基因组中的hgRNA序列，然后Cas9切割。当细胞修复切割时，它可以在hgRNA序列中引入基因突变，其随着时间累积以产生独特的条形码。

研究人员通过创建一种“创始小鼠”在小鼠体内实施hgRNA-Cas9系统，该小鼠在其基因组中分散有60种不同的hgRNA序列。然后，他们用表达Cas9蛋白的小鼠穿过创始小鼠，产生受精卵，其受精后hgRNA序列开始切割和突变。

“在合子分裂的每一个细胞中，它的hgRNA都有可能发生变异，”第一作者，Wyss Institute和HMS的博士后研究员Reza Kalhor博士解释道。“在每一代中，除了从母细胞中遗传的细胞外，所有细胞都获得了自己独特的突变，因此我们可以通过比较它们具有的突变来追踪相关的不同细胞。”

每个hgRNA可以产生数百个突变等位基因;总的来说，它们可以生成一个独特的条形码，其中包含成年小鼠中约100亿个细胞中每个细胞的完整发育谱系。

连续记录细胞发育的能力也使研究人员能够解决关于胚胎大脑的长期问题：它首先将其前端与后端区分开来，还是先从右侧区分左侧?通过比较两只小鼠脑部不同部位的细胞中存在的hgRNA突变条形码，发现每个脑区左侧的神经元与同一区域右侧的神经元相比，与左侧神经元的神经元密切相关。邻近地区的一面。这一结果表明，在中枢神经系统发育的左右图案化之前出现了前后脑图案。

“这种方法使我们能够进入模型生物体的最终发育阶段，并从那里重建一个完整的谱系树，一直到它的单细胞阶段。这是一个雄心勃勃的目标，肯定需要许多实验室几年才能实现，但是本文代表了实现目标的重要一步，“教会说。研究人员现在专注于改进他们的读出技术，以便他们可以分析单个细胞的条形码并重建已记录的谱系树。

“随着时间的推移能够连续记录细胞是发育生物学中的一个重要里程碑，它有望以指数方式增加我们对单细胞生长形成成年动物的过程的理解，如果应用于疾病模型，它可以完全提供关于癌症等疾病如何出现的新见解，“医学博士，医学博士，医学博士，博士，Wyss研究所创始主任，同时也是HMS血管生物学的犹大民俗教授和波士顿儿童血管生物学项目医院，以及哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的生物工程教授。

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