“条形码”技术 成功追踪单细胞谱系史和基因表达谱

追踪细胞的谱系历史是回答生物学中各种基本问题的关键，可以了解很多有关发育、衰老和疾病的知识。近日，美国波士顿儿童医院和达纳-法伯癌症研究所、哈佛医学院的干细胞研究计划的科学家开发出一项新技术——CRISPR阵列修复谱系追踪（CARLIN），即所谓 “条形码”技术。通过CRISPR基因编辑技术改造的小鼠细胞系，CARLIN可以追踪小鼠单细胞谱系史和基因表达谱，相关研究结果发表在《Cell》杂志上。

DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.048

数十年来，许多发育生物学家的梦想是能有一种方法，可以随着胚胎的发育或组织的建立，逐个细胞地重建每个细胞谱系——跟踪其整个从胚胎到成体的发育过程，揭示从亲代细胞到每一代子细胞的谱系“家族树”，以及每个细胞是如何随着时间推移打开或关闭了哪些基因。

以前，科学家只能使用染料或荧光标记物来追踪小鼠中的一小组细胞。也有报道使用分子标签或barcode条码，但是需要已知有关标记的信息才能区分出不同的细胞类型，还需要耗时费力的细胞提取和操作，这可能会影响它们的特性。CRISPR技术的出现，让研究人员可以在不影响细胞的情况下对细胞进行barcode条码标记，并可以同时跟踪数千个细胞的谱系。

现在，研究人员通过CARLIN的方法设计了一种小鼠模型，能够以诱导的方式在小鼠发育或成年的任何时间点上生成转录识别条码——可多达44,000种条码、与测序条码编码兼容且具有完全的遗传定义。再利用单细胞RNA测序即可采集到每个条码标记的细胞的基因表达模式，然后可以获得该种细胞的类型和功能的相关信息。

作为测试案例，研究人员使用新系统揭示了胚胎发育过程中血液发育的未知方面，并观察了成年小鼠化疗后血液补充的动态。研究人员认为，他们的系统还可用于了解疾病和衰老过程中细胞谱系树的变化。此外，该系统可用于记录对环境刺激的反应，例如病原体暴露和营养摄入。

总的来说，能够创建哺乳动物组织的单细胞谱系图是具有里程碑意义的，除了将其用于研究发育生物学的许多应用之外，该模型还将提供重要的见解，以了解随着生物体对伤害和疾病的反应而受到影响的细胞类型和层次结构。