追踪斑马鱼中每个细胞的起源

每一本生物学教科书都指出细胞是生命的基石。但研究人员现在才开始了解他们的多样性。诸如RNA测序的技术揭示了哪些基因在每个单独的细胞中表达。然后可以使用相似的表达谱系统地排列所有细胞。“每当我们使用这种技术检查器官或生物体时，我们不仅会发现熟悉的细胞类型，还会发现未知和罕见的细胞类型，”MaxDelbrück定量发育生物学研究组负责人Jan Philipp Junker博士说。亥姆霍兹联合会(MDC)的分子医学中心。“下一个问题很明显：这些不同类型的来源是什么?”Junker的团队现在正在Nature Biotechnology杂志上发表论文它描述了一种叫做LINNAEUS的技术，它使研究人员能够确定细胞类型以及每个细胞的谱系。

“我们希望了解有机体发展的灵活性，”容克说。如果在胚胎发育过程中发生损伤，例如，由于突变或环境影响，修复机制确保动物后来看起来健康。只有每个细胞的谱系才能说明真实的故事 - 损伤的程度和修复机制。甚至成年斑马鱼的心脏也可以在受伤后再生。“这是一个重复的生物发展过程还是新的事物?”容克很奇怪。“细胞会改变并承担其他任务吗?”然而在其他情况下，缺失的细胞类型是导致特定疾病的原因。在将来，

快速修补会导致意外疤痕

该技术基于DNA中的疤痕，它们像条形码一样起作用，从中可以确定每个细胞的谱系。虽然斑马鱼胚胎仍然处于单细胞阶段，但Junker的团队注入了CRISPR-Cas9系统。在接下来的8个小时内，Cas9反复切割出鱼类肯定不需要的序列：红色荧光蛋白(RFP)的基因。胚胎的红色光芒逐渐消失，DNA伤口上形成数千种不同的疤痕。“CRISPR总是在确切的位置进行切割。但在下一次细胞分裂发生前，细胞修复时间不超过15分钟，”容克说。“必须快速完成修补，因此染色体片段会粘在一起。这就是错误发生的地方。

虽然单细胞RNA测序按细胞类型映射数千个细胞，但瘢痕显示细胞之间有数百万个连接。从这种混乱的数据中重建谱系树带来了各种挑战。有些伤疤特别容易发生。“这很危险，因为如果在心脏和脑细胞中产生相同的疤痕序列，人们可能会错误地认为它们有共同的祖先，”容克说。因此，我们必须知道哪些序列我们不能信任并过滤掉它们。“此外，并非所有细胞中的伤疤都能被发现，生物信息学家Bastiaan Spanjaard说，”该研究的主要作者之一。“因此我们开发了一种方法弥合数据中的空白，使我们能够构建谱系树。“

放大数据集

最终结果是谱系树，其中树枝分裂的彩色饼图。每个分区都是一个疤痕，饼图上的每种颜色都显示它出现在哪种细胞类型中。研究人员可以根据需要尽可能详细地放大极大型数据集的紧凑表示。

“例如，在心脏中，有两种细胞类型几乎无法区分。但谱系树显示它们的发育很早就在不同方向分支，”容克说。“我们接下来想要了解这些细胞类型在鱼心中的位置。这通常首先表明它们所服务的功能。”他的实验室继续使用斑马鱼作为模型生物，但Junker也看到了将这种技术应用于人类器官的巨大潜力。这最终可以帮助我们了解患者中的哪些突变会对细胞谱系树造成永久性损伤。