Science：利用新开发的intMEMOIR系统追踪细胞谱系

2021年4月11日讯/生物谷BIOON/---细胞谱系在发育、稳态和疾病期间的细胞命运决定中起着关键作用。直接在细胞谱系的天然组织背景下可视化观察细胞谱系关系的能力可以对内在和外在因素在细胞命运决定中的作用提供新的见解。

受从自然发生的体细胞突变中恢复谱系信息的启发，工程化谱系记录系统积极地在确定的基因组靶位点产生随机的、可遗传的突变，识别单个细胞中的这些编辑，并利用它们重建细胞谱系。然而，大多数现有的记录系统都依赖于测序来读出这些编辑，这必然会破坏组织。因此，科学家们需要一种能够准确地基于成像地在原位读出单细胞编辑历史和转录状态的记录系统。

为了解决这一挑战，美国研究人员开发出一种基于位点特异性丝氨酸整合酶（如Bxb1）的数字化、图像可读的谱系记录系统。这种称为intMEMOIR（integrase-editable memory by engineered mutagenesis with optical in situ readout）的系统引入了基于10个三态记忆元件阵列的设计。每个记忆元素都可以被数字化和不可逆地编辑，以产生理论上最多310（59049）个不同的编辑结果。这些数字状态可以使用荧光原位杂交（FISH）方法与内源性转录本一起被读出。此外，这些阵列可以在确定的基因组位点进行整合，以实现生殖系遗传性。编辑可以在不同的有机体和背景下操作，包括小鼠胚胎干细胞（mESC）和黑腹果蝇胚胎。相关研究结果发表在2021年4月9日的Science期刊上，论文标题为“Imaging cell lineage with a synthetic digital recording system”。

为了评估使用intMEMOIR进行谱系重建的准确性，这些作者首先构建出一个含有intMEMOIR系统的mESC细胞系，然后获取了这些接受编辑并生长为细胞集落的细胞的延时摄影短片。然后，他们将短片中的真实谱系关系与基于intMEMOIR编辑的终点分析的重建进行比较。intMEMOIR允许在共享的编辑模式（克隆分类）的基础上准确地将细胞分配到不同的克隆。此外，在整个实验过程中，随机和渐进的编辑允许重建更详细的树（谱系树重建），重建精度接近预期的理论极限。

intMEMOIR支持同时分析细胞谱系、状态和空间结构。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abb3099。

然后，这些作者设计了一个intMEMOIR来记录称为Drosophila memoiphila的果蝇。他们在早期胚胎发育过程中对神经母细胞进行编辑，然后在四只成年果蝇的大脑中分析它们的后代，同时读出intMEMOIR阵列和8个标记不同神经元细胞类型的内源基因。在一个克隆内，而不是在不同克隆之间，空间近端的细胞对（cell pair）在细胞状态上比空间远端的细胞对更相似，这突显了神经母细胞祖先在果蝇大脑发育过程中决定细胞命运的重要性。

综上所述，intMEMOIR可以同时分析同一组织中的单细胞谱系、基因表达和空间结构。这种能力使得它能够直接捕捉其他隐藏的关系，如在这项研究展示的果蝇大脑发育的例子那样。intMEMOIR应当很容易适应其他的模型生物和发育背景。此外，通过增加更多的记忆阵列和正交整合酶，该系统可以扩展，以实现更深的谱系树重建和多个记录“通道”。因此， intMEMOIR应当有助于创建整合谱系和空间信息以及分子剖面的细胞图谱。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Ke-Huan K. Chow et al. Imaging cell lineage with a synthetic digital recording system. Science, 2021, doi:10.1126/science.abb3099.