里程碑！斑马鱼之后 首次使用CRISPR探索哺乳动物胚胎发育史

科学家们对哺乳动物发展史的窥探从未停止。《Science》上周发布一项突破成果——首次使用CRISPR跟踪了哺乳动物从单个卵子到有数百万细胞的胚胎的发育！这一成就使生物学家距离追踪复杂动物数十亿细胞中每一个细胞史更近了一步，为研究哺乳动物的发育与疾病提供了新窗口。

Researchers have used gene-editing to track the cell-by-cell development of a mouse embryo.Credit: Agnieszka Jedrusik and Magdalena Zernicka-Goetz, Gurdon Institute.

8月9日，这项重磅成果以“Developmental barcoding of whole mouse via homing CRISPR”为题发表在《Science》杂志，并于同日得到《Nature》杂志特别报道。

“这是一段时间以来人们梦寐以求的结果，很高兴看到这篇论文问世。” 西雅图华盛顿大学的遗传学家Aaron McKenna说，他曾用CRISPR研究了斑马鱼的部分发育状况 。

多年来，生物学家想方设法通过追踪逐个细胞的发育来剖析某一生物体的发展（例如用染料标记它们）。但是这些工具无法追踪细胞经历多次分裂，更不用说在生物体的整个生命中。然而，在过去的两年里，CRISPR - Cas9基因组编辑已经成为一种用于监控发育细节的有效工具。

设计“条形带”

先前研究中，研究人员在斑马鱼基因组中设计了特殊的基因序列，就像一条记录带：CRISPR通过添加或删除DNA在这些序列上留下标记，给每个细胞一个独特的遗传“条形码”。这些编辑随着细胞分裂而累积。通过读取“条形码”，科学家可以重建细胞系谱，显示细胞之间的关系。

技能升级

而像小鼠这样的哺乳动物比斑马鱼有更多的细胞。为了用CRISPR追踪它们的发展，最新研究的通讯作者兼第一作者、马萨诸塞州波士顿哈佛医学院的分子生物学家Reza Kalhor领导的小组培育了一系列小鼠，这些小鼠的基因组中有60个“条形码”位点，理论上足以给每只成年小鼠的100亿个细胞打上一个独特的标签。

当研究人员观察12天大的小鼠胚胎“条形码”中积累的突变模式时，他们能够追踪每个胚胎原始心脏和四肢以及胎盘中的细胞历史。

该小组还展示了“条形码”如何帮助回答关于哺乳动物发育的公开问题。通过检查胚胎脑组织，他们发现大脑左右两侧的等效区域之间的“条形码”图案比同一侧不同区域的细胞之间的条形码图案更相似——这表明它们是由最近的细胞分裂形成的。这种模式表明，从大脑的前部到后部的轴形成于从左到右的轴之前——这是神经科学家用现有工具难以确定的时间线。

柏林马克斯•德尔布吕克分子医学中心的系统生物学家Jan Philipp Junker说，这项研究是一个“重要的发展”。然而，他也补充道，作者读出条形码的方式是通过查看组织样本中的细胞集合，而不是检查单个细胞——目前阻止了他们详细追踪细胞谱系，绘制出整个分裂历史。

Kalhor表示，该研究小组希望在未来能探索出快速从单个细胞中读出条形码的方法。

McKenna说，追踪小鼠的细胞谱系有望成为了解人类疾病的细胞基础的有效工具。例如，癌症研究人员可以用他们自己的小鼠癌症模型培育“条形码”菌株，以详细检查这种疾病是如何破坏细胞分裂的。“我认为我们离这个目标有点距离，但这项研究是朝这一方向迈出的一大步。”他总结道。

参考资料：CRISPR ‘barcodes’ map mammalian development in exquisite detail