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用发育中的基因条形码实时记录每个细胞的历史

导读所有人类都开始以单细胞的形式生活。细胞反复分裂形成两个细胞,然后是四个细胞,然后是八个细胞,最多约260亿个细胞组成新生儿。追踪这260

所有人类都开始以单细胞的形式生活。细胞反复分裂形成两个细胞,然后是四个细胞,然后是八个细胞,最多约260亿个细胞组成新生儿。追踪这260亿个细胞是如何以及何时从受精卵中产生的,是发育生物学中的一大挑战。到目前为止,这个领域只能捕捉和分析开发过程的快照。

现在,由Wyss研究所和哈佛医学院(HMS)的科学家开发的一种新方法,终于将这一令人望而生畏的任务纳入可能范围,利用发育中的遗传条形码,主动记录发育小鼠的细胞分裂过程,从而实现每一个谱系。老鼠的细胞可以追溯到它的单细胞来源。

这项研究发表在今天的《科学》杂志上。资深作者乔治丘奇说:“目前的谱系追踪方法只能及时显示快照,因为你必须物理停止发育过程,才能看到细胞在每个阶段的样子,就像看电影的每一帧一样。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。“这种条码记录方式让我们能够重构每个成熟细胞发育的完整历史,就像实时回放完整的动态图像一样。”遗传条形码是通过使用一种特殊类型的脱氧核糖核酸序列创建的,该序列编码一种被称为归巢指导核糖核酸(hgRNA)的修饰核糖核酸分子,这是在以前的论文中开发的。hgRNA分子的设计使得当Cas9(CRISPR-Cas9变得著名)存在时,hgRNA会将Cas9引导到其基因组中自己的HgRNA序列,然后Cas9会进行切割。当细胞被修复和切割时,它可以在hgRNA序列中引入基因突变,这种突变会随着时间的推移而积累,产生独特的条形码。

研究人员通过创造一种“创始小鼠”在小鼠体内实现了hgRNA-Cas9系统,这种小鼠的基因组中散布着60种不同的hgRNA序列。然后,他们用表达Cas9蛋白的小鼠通过创始小鼠产生受精卵。受精后,hgRNA序列开始切割和变异。“在受精卵分裂的每一个细胞中,它的hgRNA都可能发生变异,”第一作者雷扎卡尔霍尔博士解释说,他是怀斯研究所和HMS的博士后研究员。“在每一代中,除了从母细胞遗传的细胞外,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不同相关细胞的突变来追踪它们。”每个hgRNA可以产生数百个突变等位基因;一般来说,它们可以生成一个独特的条形码,其中包含成年小鼠大约100亿个细胞中每个细胞的完整发育谱系。

持续记录细胞发育的能力也让研究人员能够解决有关胚胎大脑的长期问题:它是先区分前端和后端,还是先区分左侧和右侧?通过比较两只小鼠大脑不同部位细胞中的hgRNA突变条形码,发现每个脑区左侧的神经元与同一脑区右侧的神经元密切相关。社区的一边。这一结果表明,前脑和后脑模式出现在中枢神经系统发育的左右模式之前。“这种方法使我们能够进入模式生物的最终发育阶段,并从那里重建一个完整的谱系树,直到其单细胞阶段。这是一个雄心勃勃的目标,这肯定需要许多实验室几年的时间才能实现,但这篇论文代表了实现目标的重要一步,”教会说。“研究人员现在正专注于改进他们的读出技术,以便他们能够分析单个细胞的条形码,并重建记录的谱系树。

“能够随着时间的推移连续记录细胞是发育生物学的一个重要里程碑。它有望增加我们对单细胞指数生长成成年动物过程的理解。如果应用于疾病模型,它可以完全为癌症等疾病如何出现提供新的见解,”医学博士,医学博士,怀斯研究所创始主任。他还是HMS血管生物学、波士顿儿童血管生物学项目医院的犹大民间教授,以及哈佛大学约翰保尔森工程和应用科学学院(SEAS)的生物工程教授。本文的其他作者包括德黑兰谢里夫科技大学的Kian Kalhor英国皇家海军的利奥梅希亚,威斯学院的凯瑟琳李伯和阿曼达格拉文,以及圣地亚哥加州大学的副教授普拉尚马里。这项研究得到了美国国立卫生研究院和高级情报研究项目的支持。

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