Cell:“條形碼”+ CRISPR,可追蹤單細胞譜系史和基因表達譜
2020/05/19
追蹤細胞的譜系歷史是回答生物學中各種基本問題的關鍵,可以了解很多有關發育、衰老和疾病的知識。

追蹤細胞的譜系歷史是回答生物學中各種基本問題的關鍵,可以了解很多有關發育、衰老和疾病的知識。近日,美國波士頓兒童醫院和達納-法伯癌癥研究所、哈佛醫學院的干細胞研究計劃的科學家開發出一項新技術——CRISPR陣列修復譜系追蹤(CARLIN),即所謂 “條形碼”技術。通過CRISPR基因編輯技術改造的小鼠細胞系,CARLIN可以追蹤小鼠單細胞譜系史和基因表達譜,相關研究結果發表在《Cell》雜志上。


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

數十年來,許多發育生物學家的夢想是能有一種方法,可以隨著胚胎的發育或組織的建立,逐個細胞地重建每個細胞譜系——跟蹤其整個從胚胎到成體的發育過程,揭示從親代細胞到每一代子細胞的譜系“家族樹”,以及每個細胞是如何隨著時間推移打開或關閉了哪些基因。

以前,科學家只能使用染料或熒光標記物來追蹤小鼠中的一小組細胞。也有報道使用分子標簽或barcode條碼,但是需要已知有關標記的信息才能區分出不同的細胞類型,還需要耗時費力的細胞提取和操作,這可能會影響它們的特性。CRISPR技術的出現,讓研究人員可以在不影響細胞的情況下對細胞進行barcode條碼標記,并可以同時跟蹤數千個細胞的譜系。

現在,研究人員通過CARLIN的方法設計了一種小鼠模型,能夠以誘導的方式在小鼠發育或成年的任何時間點上生成轉錄識別條碼——可多達44,000種條碼、與測序條碼編碼兼容且具有完全的遺傳定義。再利用單細胞RNA測序即可采集到每個條碼標記的細胞的基因表達模式,然后可以獲得該種細胞的類型和功能的相關信息。


作為測試案例,研究人員使用新系統揭示了胚胎發育過程中血液發育的未知方面,并觀察了成年小鼠化療后血液補充的動態。研究人員認為,他們的系統還可用于了解疾病和衰老過程中細胞譜系樹的變化。此外,該系統可用于記錄對環境刺激的反應,例如病原體暴露和營養攝入。

總的來說,能夠創建哺乳動物組織的單細胞譜系圖是具有里程碑意義的,除了將其用于研究發育生物學的許多應用之外,該模型還將提供重要的見解,以了解隨著生物體對傷害和疾病的反應而受到影響的細胞類型和層次結構。

參考資料

Tracking an organism's development, cell by cell

CRISPR Barcodes for Whole-Organism, Cell-by-Cell Lineage Histories

新思路!條碼/CRISPR編輯小鼠 可追蹤體內單細胞發育譜系和表達譜信息


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