Cell Reports:单细胞“基因马赛克”分析

为了理解单个基因所起的作用，生物学家100年来一直在使用大自然的一个把戏:虽然原则上，有机体所有细胞的基因组都是相同的，但单个细胞会发生突变。这些突变使一个细胞与其相邻的细胞区别开来，形成“基因马赛克”。现在，奥地利IST大学的Simon Hippenmeyer教授，进行了先进的基因马赛克分析，使小鼠基因组中几乎所有的基因都可以进行单细胞基因马赛克分析。

　　

 

   

图像:乳腺细胞，用MADM标记。

资料来源:妮可·安伯格/奥地利IST

基因镶嵌个体包含不同基因型的细胞，在多细胞生物中自然产生。在人类中，癌症的发展——一个细胞获得突变，使其能够增殖，而其他细胞则不能——是基因嵌合现象的一个主要例子。但相反，基因嵌合可以用来研究和了解疾病的发展。

这是自然界常见的怪癖，用来理解基因

一种实验性的遗传镶嵌方法被称为双标记镶嵌分析(MADM)，该方法在单个细胞中进行基因突变，同时用荧光颜色标记突变细胞。“MADM是一种标记技术，原则上我们可以标记任何我们感兴趣的基因，任何我们感兴趣的器官的突变细胞”，主要作者Simon Hippenmeyer解释道。通过改变单细胞中的一个基因，同时保持其余细胞“正常”，科学家可以跟踪突变单细胞发生的情况，并了解突变基因的作用和功能。这种方法对必需基因尤其有价值:突变生物体所有细胞的必需基因会影响生物体的健康和生存能力。但是，当基因在少数选定的细胞中发生突变时，生物体本身不会受到影响，而科学家可以在单个细胞水平上跟踪稀疏突变细胞的形态、发育和功能。

到目前为止，只有大约25%的小鼠基因可以使用MADM技术进行突变和跟踪，因为MADM技术仅限于三个小鼠染色体。现在，希彭迈耶和他在奥地利IST的团队已经极大地扩展了这一资源。该小组成功地将MADM技术所需的“MADM标记盒”放置在所有小鼠染色体上(性染色体除外)。现在，超过96%的基因可以通过MADM在单细胞水平上发生突变和跟踪。“我们现在可以很容易地操纵几乎每一个老鼠的基因，并对每个基因进行高分辨率、表型遗传镶嵌分析，”希本迈耶解释说。

癌症研究的新途径

希彭迈耶预计，这一资源将促进疾病和发育的一般机制的研究。“现在，我们可以研究与来自单个突变细胞的疾病相关的基因，其中癌症是主要的例子。有了我们的资源，研究人员可以系统地研究每一个已知的肿瘤抑制基因及其在癌症发展和进化中的作用，包括与其他突变结合。”近年来，研究人员在一些癌症研究中使用了MADM，包括筛选药物靶标。“我们的MADM库不仅是一种分析疾病进展的方法，而且还为药物和药物靶点的发现提供了一个平台，”Hippenmeyer补充说。“这不仅仅局限于癌症，MADM也可以用于研究和理解许多情况下的疾病，包括神经发育和其他大脑疾病，这是Hippenmeyer小组的主要兴趣。”

在他们的论文中，hipenmeyer和他的团队使用了新的资源来扩展MADM的应用范围，并阐明了生物学中一个有趣的问题。他们发现了不对称细胞分裂过程中染色体分离遵循非随机模式的证据。“我们的结果首次在体内表明，在干细胞分裂期间亲代染色体分离的方式可以指导产生的子细胞的细胞命运。在更广泛的背景下，这些发现与我们对干细胞生物学的一般理解有关，也许还与癌症进展的机制有关。将使用MADM扩展的能力来研究大脑发育过程中的干细胞行为，以及确保大脑发育到正确大小的机制。在人类中，大脑大小的紊乱，如微脑畸形和巨脑畸形，与癫痫和智力残疾有关。“我们现在可以问干细胞出了什么问题，导致大脑发育得太大或太小。我们预计，我们未来的研究结果也可以为基于干细胞的大脑修复和再生提供一个基础。”

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