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Science:利用CRISPR构建出的突变条形码记录每个细胞的发育历史

来源:本站原创 2018-08-12 09:30

2018年8月12日/生物谷BIOON/---所有人的生命都起源自单个细胞(即受精卵),这个细胞重复地进行分裂,从而产生两个细胞,然后是四个细胞,然后是八个细胞,一直到组成新生儿的大约260亿个细胞。发育生物学的一大挑战是追踪这260亿个细胞是如何和何时从一个受精卵中产生的。迄今为止,这个领域到只能捕获和分析这个发育过程的快照。

如今,在一项新的研究中,来自美国哈佛大学怀斯生物启发工程研究所、哈佛医学院、加州大学圣地亚哥分校和伊朗谢里夫理工大学的研究人员开发出的一种新方法最终有可能让这项艰巨的任务得以实现。这种方法利用不断变化的遗传条形码(genetic barcode)积极地记录发育中小鼠的细胞分裂过程,从能够将小鼠体内的每个细胞谱系追溯到它的单细胞起源。相关研究结果于2018年8月9日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Developmental barcoding of whole mouse via homing CRISPR”。论文通信作者为哈佛大学怀斯生物启发工程研究所和哈佛医学院的George Church博士和Reza Kalhor博士。
图片来自Nature Methods, 2017, doi:10.1038/nmeth.4108。

Church说,“当前的谱系跟踪方法只能及时显示发育过程的快照,这是因为你必须在物理上阻止这个发育过程才能够观察到细胞在每个阶段看起来是怎样的,就像是观看电影的每个帧一样。这种条形码记录方法允许我们重建每个成熟细胞发育的完整历史,就像是实时向后播放完整的影片一样。”

这些遗传条形码是利用特殊类型的DNA序列创建出来的,该序列编码一种称为归巢向导RNA(hgRNA)的修饰RNA分子,这种方法是由Church团队在2016年底开发出来的,发表在Nature Methods期刊上,标题为“Rapidly evolving homing CRISPR barcodes”。当酶Cas9存在时,所设计出的hgRNA分子引导Cas9到基因组中存在的hgRNA序列上,随后Cas9在此处进行切割。当细胞修复这种DNA切割时,它能够在hgRNA序列中引入基因突变,随着时间的推移,这些突变足以产生独特的条形码。

这些研究人员首先培育出一种“创始小鼠(founder mouse)”,这种创始小鼠的基因组中散布着60个不同的hgRNA序列。他们随后让这种创始小鼠与表达Cas9蛋白的小鼠进行杂交,从而产生在受精后不久这些hgRNA序列就被切割并发生突变的受精卵。

Kalhor解释道,“在这个受精卵通过分裂产生的每个细胞中,它的hgRNA序列都有可能发生突变。在每次细胞分裂中,除了从母细胞中遗传的突变之外,所有子细胞都获得了它们自己独特的突变,因此我们能够通过比较它们具有的突变来追踪不同细胞之间的密切程度。”

每个hgRNA能够产生数百个突变等位基因;总的来说,它们能够产生独特的条形码,所产生的条形码包含着成年小鼠体内大约100亿个细胞中的每个细胞的完整发育谱系。

连续记录细胞发育的能力也让这些研究人员能够解决一个长期存在的关于胚胎脑组织的问题:它是先将其前端与后端区分开来,还是先将其左侧与右侧区分开来?通过比较来自两只小鼠大脑不同部位的细胞中存在的hgRNA突变条形码,这些研究人员发现相比于来自邻近大脑区域左侧的神经元,每个大脑区域左侧的神经元与相同区域右侧的神经元更加密切地相关联在一起。这一结果表明在中枢神经系统发育过程中,大脑前后侧区分先于大脑左右侧区分发生。

Church说,“这种方法让我们从模式生物的最终发育阶段开始,重建一个完整的细胞谱系树,一直到它的单细胞阶段。这是一个雄心勃勃的目标,肯定需要许多实验室付出多年的努力才能实现,不过这篇论文代表着为实现这个目标迈出的重要一步。”

这些研究人员如今正在专注于改进他们的读取技术,这样他们就能够分析单个细胞的条形码并重建记录到的细胞谱系树。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Reza Kalhor1,2,*, Kian Kalhor3, Leo Mejia et al. Developmental barcoding of whole mouse via homing CRISPR. Science, Published Online: 09 Aug 2018, doi:10.1126/science.aat9804.

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