《Nature》子刊巧妙运用CRISPR-Cas9诱导遗传伤疤

　　

每一本生物学教材都指出，细胞是生命的基石。但是直到最近几年，科学家们才开始了解细胞的多样性。

RNA测序等技术揭示单个细胞的基因表达，通过类似的表达谱，所有细胞得以被系统地排列。“无论什么时候，当我们用这类技术探索器官或有机体时，我们不仅看到了熟悉的细胞类型，而且总能发现未知和罕见的细胞类型，”Max Delbrück分子医学中心量化发育生物学研究组组长Jan Philipp Junker博士说。“显而易见的问题是：这些不同类型的细胞从哪来的？”

Junker课题组在《Nature Biotechnology》发表最新文章公布最新技术LINNAEUS，它将帮助研究人员确认细胞类型以及每个细胞的血统。

未来，研究人员将利用LINNAEUS实现所有细胞谱系发育树跟踪。这项技术基于DNA疤痕，它们就像来自每支细胞谱系的条形码。

在斑马鱼胚胎仍处于单细胞阶段时，Junker团队向其注入CRISPR-Cas9系统。接下来8小时，Cas9反复切割1个斑马鱼细胞肯定不需要的序列，红色荧光蛋白（RFP）基因；导致胚胎的红色光辉逐渐消失，基因上形成数千个不同的DNA伤口。

 

“CRISPR总在一个精确位点上切割，但是在下一次细胞分裂发生之前，细胞只有不到15分钟时间修复伤口，”Junker说。“修补必须迅速完成，所以染色体碎片是粘合在一起的。DNA疤痕长度随机，它的确切位置也不尽相同。因此，可以通过遗传疤痕，识别来源于共同祖先的细胞。”

单细胞RNA测序有能力根据细胞类型绘制上千个细胞图谱，DNA疤痕力量更强，它可以显示细胞之间上百万种连接。然而，从混乱的数据中重建谱系树的各种挑战是显而易见的。有些疤痕特别容易发生。“如果同样的疤痕序列产生在心脏和脑两种不同细胞，人们可能会误以为他们拥有一个共同祖先，这绝对是危险的，”Junker说。“所以我们必须知道哪些序列不能相信，预先把它们过滤出来。”

此外，所有细胞的所有疤痕可能无法一个不漏的被全部检出。文章一作、生物信息学家Bastiaan Spanjaard说。“所以我们还开发了一种弥补数据间隙以构建谱系树的方法。”

缩放数据

最终的谱系树由五颜六色的饼图组成，每个分区都是一个疤，饼图上的颜色代表它属于哪种细胞类型。“研究人员可以放大这些非常庞大的数据集，尽可能多地查找他们所需的各种细节。”

“例如，有两种心脏细胞几乎不可分辨，但谱系树显示，它们在极早期就分别

向不同分支方向发展了，”Junker说。“接下来我们想知道这些细胞类型位于斑马鱼心脏哪些部位。”

这项技术在人类细胞器方面也拥有巨大潜力，最终将帮助我们了解哪些突变对细胞谱系树造成了永久性损害。

原文检索：Simultaneous lineage tracing and cell-type identification using CRISPR-Cas9-induced genetic scars

（生物通：伍松）