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2016年6月1日/生物谷BIOON/–根据一项新的研究，在经过基因改造的斑马鱼胚胎中让特定的人工合成DNA片段发生突变能够让研究人员不可逆地对发育期间的细胞和它们的子细胞进行标记。这种技术允许沿着成体细胞谱系图追踪到它们的胚胎起源。相关研究结果于2016年5月26日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Whole organism lineage tracing by combinatorial and cumulative genome editing”。
这些作者“开发出一种非常强大的工具而允许我们对细胞和器官发育进行谱系追踪。” 美国南加州大学干细胞生物学家Rong Lu（未参与这项研究）说。“我认为研究癌症等疾病和理解组织再生也是非常有趣的”，她说。
发育生物学的最重要—如果还没有确定的话—目标是理解单个受精卵如何发育成一个完整的多细胞有机体。基本上，发育生物学家想知道“一种给定的细胞变成什么，以及它何时进行这样的转变”，美国约翰霍普金斯大学医学院遗传学家Aravinda Chakravarti（未参与这项研究）说。
科学家们已开发出多种技术来追踪细胞谱系，Chakravarti继续说道，“但是它们当中没有一种技术能够工作得非常好。”比如，利用染料或报告基因对细胞和它们的子细胞进行标记的方法只允许分析有限数量的细胞。即便对细胞全基因组进行测序—鉴定体细胞突变以便揭示单个细胞之间的关联性（或者说亲缘性）—在全基因组水平上也不是一种可行的选择。“你不能够对一个人的百万个[细胞]基因组进行测序”，论文共同通信作者、哈佛大学研究员Alex Schier说。“那是承受不起的。”
Schier和同事们的新方法被称作合成靶标阵列基因组编辑用于谱系追踪（genome editing of synthetic target arrays for lineage tracing, GESTALT）。它的工作流程为：将外源DNA片段（合成靶标阵列）导入单个受精细胞的基因组中，然后在发育过程中，通过基因组编辑特异性地和累积性地让这种阵列发生突变，这样早期的突变标记着很多细胞，而后期的突变标记着少量细胞。对这种阵列发生的突变进行限制意味着有机体的正常发育不受影响。
研究人员随后对这种合成阵列进行测序；所获得的突变被用来重建细胞谱系树。“它允许你一段时间内观察细胞彼此之间的亲缘性”，Schier告诉《科学家》杂志。
Schier说，研究人员随后在一项概念验证实验中利用这种GESTALT方法追踪成年斑马鱼器官中的细胞谱系。研究人员发现来自每种成年斑马鱼组织起源自小量建立者细胞（founder cell, 也译作生成细胞）。确实，在大多数组织中，少于25种等位基因（合成阵列的突变版本）产生90%以上的细胞。作为一种极端的例子，仅仅5种等位基因产生血液中98%以上的细胞。
Schier说，他“非常吃惊地看到如此少的细胞产生器官中如此多的细胞”，并且补充道，目前仍不清楚这种较少的数量是否反映一种非常有限的起始细胞群体，或者器官发育时，先是有很多建立者细胞，但是这些细胞随后被清除了。
他说，利用GESTALT研究特定发育阶段应当有助解决这些问题。
Schier说，除了用于经典的发育生物学研究之外，GESTALT也能够被用来追踪肿瘤生长和转移时该肿瘤中的细胞谱系，或者研究哪些细胞负责再生给定的组织。他补充道，如果基因编辑技术经改造后依赖于特定的信号或环境信号，那么GESTALT甚至可能被用来确定细胞群体中哪些细胞接受这些信号输入和它们会变成什么。
简言之，“这种方法能够被用来揭示参与细胞分裂的任何过程”，Chakravarti说。“它是一项非常重要的研究。”
来自英国弗朗西斯-克里克研究所的James Briscoe（未参与这项研究）对此也表示赞同。“这是这样的一篇论文，当你读到它时，你就立刻想到几种或者十几种你利用这种技术能够做的事情”，他说。（生物谷 Bioon.com）
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Whole organism lineage tracing by combinatorial and cumulative genome editing
Aaron McKenna1,*, Gregory M. Findlay1,*, James A. Gagnon2,*, Marshall S. Horwitz1,3, Alexander F. Schier2,4,5,6,†, Jay Shendure
Multicellular systems develop from single cells through distinct lineages. However, current lineage tracing approaches scale poorly to whole, complex organisms. Here, we use genome editing to progressively introduce and accumulate diverse mutations in a DNA barcode over multiple rounds of cell division. The barcode, an array of CRISPR/Cas9 target sites, marks cells and enables the elucidation of lineage relationships via the patterns of mutations shared between cells. In cell culture and zebrafish, we show that rates and patterns of editing are tunable and that thousands of lineage-informative barcode alleles can be generated. By sampling hundreds of thousands of cells from individual zebrafish, we find that most cells in adult organs derive from relatively few embryonic progenitors. In future analyses, genome editing of synthetic target arrays for lineage tracing (GESTALT) can be used to generate large-scale maps of cell lineage in multicellular systems for normal development and disease.
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