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技术文章
《Cell》活的、整只哺乳动物单细胞谱系追踪

对单独的有机个体来说,如果每个细胞都有属于自己的传记信息和所在的位置,那么,研究人员就能从中学到许多关于发育、衰老和疾病的知识。坏消息是,侵入性的细胞评估技术会令追踪组织或有机体发育的家谱仅限于一小群细胞,或者结果扭曲的让人不敢确信。好消息是,一项新技术已经开发出来了,它承诺可以将细胞的详细分子读数(例如转录指纹)与细胞的祖先信息结合起来。

这项技术被称为CRISPR列阵修复血统追踪(CRISPR Array Repair Lineage tracing,CARLIN),由波士顿儿童医院干细胞研究项目和Dana Farber癌症研究所/哈佛医学院的科学家开发,可追踪体内每一个细胞,从胚胎期到成年期。

有关这项技术的详细信息发表在《Cell》杂志,题目为“An Engineered CRISPR-Cas9 Mouse Line for Simultaneous Readout of Lineage Histories and Gene Expression Profiles in Single Cells”,结合“条形码”和CRISPR基因编辑技术,CARLIN可识别不同的细胞类型,以及每种类型的基因是什么。

文章的作者写道:“利用CRISPR技术,在发育期或成年期的任何时候以可诱导的方式生成多达44000个转录条形码,与顺序排列的条形码兼容,并且完全由基因决定。我们利用CARLIN确定了胎儿肝造血干细胞(HSC)克隆的内在活性偏差,并揭示了HSCs在损伤反应中一个以前未被重视的克隆瓶颈。”

几十年来,发育生物学家做梦都想创造一种重建每一个细胞谱系的方法,“一个细胞一个细胞地,随着胚胎的发育,或者组织的建立,”Fernando Camargo博士说。他是干细胞研究项目的高级研究员,与哈佛医学院系统生物学助理教授Sahand Hormoz博士是本文的共同通讯作者。“我们可以用这个小鼠模型来跟踪它的整个开发过程。”

Camargo、Hormoz和他们各自实验室的共同作者Sarah Bowling博士和Duluxan Sritharan使用CARLIN方法创建了一个小鼠模型。该模型可以揭示细胞谱系,即父细胞创建不同类型子细胞的“家族树”,以及随着时间的推移,每个细胞中的哪些基因被打开或被关闭。

此前,科学家们只能用染料或荧光标记在小鼠身上追踪一小群细胞。也有使用标记或条形码的方法,但以前的方法需要已知标记以分离不同的细胞类型,或者需要耗时的细胞提取和操作,这可能会影响细胞的特性。CRISPR的出现使研究人员能够在不干扰细胞的情况下对细胞进行条码识别,同时跟踪数千个细胞的血统。

使用一种可诱导的CRISPR,研究人员能够在小鼠一生中的任何时间点创建多达44000个不同的识别条码。然后,使用另一种名为单细胞RNA测序的技术读取条形码,从而收集每个条形码细胞中开启的数千个基因的信息。这反过来又提供了有关细胞身份和功能的信息。

作为一个测试案例,研究人员利用这个新方法揭示了胚胎发育过程中血液发育的未知细节,并观察了成年小鼠化疗后的血液补充动态。

研究人员相信,CARLIN也可以用来了解疾病和衰老期间细胞谱系树的变化。此外,该系统还可用于记录对环境刺激的反应,如病原体暴露和营养素摄入。

Camargo说:“绘制哺乳动物组织的单细胞谱系图是一项壮举!除了在研究发育生物学方面的许多应用外,我们的模型还将提供有关生物对损伤和疾病作出反应时所受影响的细胞类型和层次结构的重要见解。”

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