科学家开发了新技术来追踪细胞的发育过程

了解各种细胞类型在发育过程中如何区分自身是发育生物学中的基本问题之一。使用基因组编辑工具，哈佛科学家们越来越接近寻找答案。分子与细胞生物学系主任Alexander Schier和分子与细胞生物学Leo Erikson生命科学教授，Schier实验室博士后研究员James Gagnon，以及Aaron McKenna和Greg Findlay博士撰写的最新研究。华盛顿大学Jay Shendure实验室的学生开发了一个系统，该系统使用CRISPR基因组编辑工具标记斑马鱼细胞的遗传条形码，以后可用于重建其谱系。这项研究是在今年早些时候出版科学。

“我们希望了解细胞在发育过程中如何沿着不同的途径进入，并最终成为特定的细胞类型，”Schier说。“使用这种新工具，我们可以采取成人脑细胞......并了解这些细胞如何相互关联，一直回到胚胎。“在这个系统中，CRISPR靶向10个短序列并随机切割它们，在细胞修复切割时诱导缺失或插入，”他解释说。“然后我们可以对这些区域进行排序，并了解细胞如何相互关联。”

例如，Schier说，单个细胞可能在某个位置切割一个序列，但是当它分开时，其子细胞和孙女细胞可以在其他位置切割。通过追踪这些变化如何积累，研究人员最终可以确定细胞如何相互关联。相关的细胞越密切，它们的突变条形码就越相似。

尽管标记细胞以跟踪其发育的想法并不新鲜，但新技术提供了更多的多功能性和特异性。“这样做的一个主要方法是用荧光蛋白标记细胞，然后继续使用颜色，”Schier说。“例如，人们可以推断，紫色的细胞可能来自一个紫色的普通祖先。”

Schier说，问题在于即使是最先进的系统也仅限于大约100种不同的颜色。“这种方法的强大之处在于，基本上你可以获得数千种颜色，”Schier说。“在本文中，我们证明了我们可以生产4,000个独特的条形码，我们可以追踪它们，看看细胞是如何相互关联的。”

Schier说，该技术已经为研究人员提供了新的见解。“我们发现了一些诱人的暗示，”他说。“例如，我们发现一条鱼中98%以上的血液来自五个祖细胞，而另一条鱼中只有两条来自两条鱼。这引发了一些有趣的组织动力学问题，我们真的很想了解 - 如何相对较少的祖细胞会产生大量的血细胞或脑细胞。“

Schier的实验室并不是唯一一个探索使用CRISPR来了解细胞如何发育的可能性的实验室。在哈佛医学院(HMS)的罗伯特温思罗普遗传学教授乔治教会实验室工作的研究人员开发了一个类似的系统，其中指导CRISPR切割位置的指导RNA序列也是目标。

最终结果是一个针对特定基因序列并将其切割的系统，但随着该切割被修复，它创建了一个新的指导RNA，告诉系统下一步切割的位置，并产生足够的多样性以允许研究人员追踪细胞的谱系。该研究已发布在预印本服务器BioRxiv上。

Church说，下一步不仅将学习细胞如何发展到成年期，还将了解细胞在发育过程中如何以及何时改变其身份。“我们想知道谁是谁，”他说，但也“细胞正在思考什么以及他们正在做什么。我们可以在发展的任何一点停止旋转木马，并拍摄他们血统的快照，什么细胞都在做。”