所有人類都以單個細胞的形式開始生活，細胞重復(fù)分裂形成兩個，然后是四個，然后是八個細胞，一直到構(gòu)成新生兒的約260億個細胞。追蹤這些260億個細胞是如何以及何時從一個受精卵中產(chǎn)生的，是發(fā)育生物學的一大挑戰(zhàn)，這個領(lǐng)域到目前為止只能捕獲和分析開發(fā)過程的快照。

現(xiàn)在，Wyss研究所和哈佛醫(yī)學院(HMS)科學家開發(fā)的一種新方法最終將這項令人生畏的任務(wù)帶入了可能的領(lǐng)域，使用不斷發(fā)展的遺傳條形碼，積極記錄發(fā)育中小鼠的細胞分裂過程，從而實現(xiàn)小鼠體內(nèi)的細胞可以追溯到它的單細胞來源。

該研究發(fā)表于今天的“科學”雜志上。

“當前的譜系跟蹤方法只能及時顯示快照，因為你必須在物理上停止開發(fā)過程才能看到細胞在每個階段看起來如何，就像看電影的各個幀一樣，”資深作者喬治·丘奇說。博士，Wyss研究所創(chuàng)始核心教員，HMS遺傳學教授，哈佛大學和麻省理工學院健康科學與技術(shù)教授。“這種條形碼記錄方法使我們能夠重建每個成熟細胞發(fā)育的完整歷史，就像實時向后播放完整的動態(tài)圖像一樣。”

遺傳條形碼是使用特殊類型的DNA序列創(chuàng)建的，該序列編碼一種稱為歸巢指導(dǎo)RNA(hgRNA)的修飾RNA分子，該分子是在之前的論文中開發(fā)的。設(shè)計hgRNA分子使得當存在酶Cas9(CRISPR-Cas9成名)時，hgRNA將引導(dǎo)Cas9至其自身的基因組中的hgRNA序列，然后Cas9切割。當細胞修復(fù)切割時，它可以在hgRNA序列中引入基因突變，其隨著時間累積以產(chǎn)生獨特的條形碼。

研究人員通過創(chuàng)建一種“創(chuàng)始小鼠”在小鼠體內(nèi)實施hgRNA-Cas9系統(tǒng)，該小鼠在其基因組中分散有60種不同的hgRNA序列。然后，他們用表達Cas9蛋白的小鼠穿過創(chuàng)始小鼠，產(chǎn)生受精卵，其受精后hgRNA序列開始切割和突變。

“在合子分裂的每一個細胞中，它的hgRNA都有可能發(fā)生變異，”第一作者，Wyss Institute和HMS的博士后研究員Reza Kalhor博士解釋道。“在每一代中，除了從母細胞中遺傳的細胞外，所有細胞都獲得了自己獨特的突變，因此我們可以通過比較它們具有的突變來追蹤相關(guān)的不同細胞。”

每個hgRNA可以產(chǎn)生數(shù)百個突變等位基因;總的來說，它們可以生成一個獨特的條形碼，其中包含成年小鼠中約100億個細胞中每個細胞的完整發(fā)育譜系。

連續(xù)記錄細胞發(fā)育的能力也使研究人員能夠解決關(guān)于胚胎大腦的長期問題：它首先將其前端與后端區(qū)分開來，還是先從右側(cè)區(qū)分左側(cè)?通過比較兩只小鼠腦部不同部位的細胞中存在的hgRNA突變條形碼，發(fā)現(xiàn)每個腦區(qū)左側(cè)的神經(jīng)元與同一區(qū)域右側(cè)的神經(jīng)元相比，與左側(cè)神經(jīng)元的神經(jīng)元密切相關(guān)。鄰近地區(qū)的一面。這一結(jié)果表明，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的左右圖案化之前出現(xiàn)了前后腦圖案。

“這種方法使我們能夠進入模型生物體的最終發(fā)育階段，并從那里重建一個完整的譜系樹，一直到它的單細胞階段。這是一個雄心勃勃的目標，肯定需要許多實驗室?guī)啄瓴拍軐崿F(xiàn)，但是本文代表了實現(xiàn)目標的重要一步，“教會說。研究人員現(xiàn)在專注于改進他們的讀出技術(shù)，以便他們可以分析單個細胞的條形碼并重建已記錄的譜系樹。

“隨著時間的推移能夠連續(xù)記錄細胞是發(fā)育生物學中的一個重要里程碑，它有望以指數(shù)方式增加我們對單細胞生長形成成年動物的過程的理解，如果應(yīng)用于疾病模型，它可以完全提供關(guān)于癌癥等疾病如何出現(xiàn)的新見解，“醫(yī)學博士，醫(yī)學博士，醫(yī)學博士，博士，Wyss研究所創(chuàng)始主任，同時也是HMS血管生物學的猶大民俗教授和波士頓兒童血管生物學項目醫(yī)院，以及哈佛大學John A. Paulson工程與應(yīng)用科學學院(SEAS)的生物工程教授。