諸如RNA測(cè)序的技術(shù)現(xiàn)在揭示了哪些基因在每個(gè)單獨(dú)的細(xì)胞中表達(dá)。然后可以使用相似的表達(dá)譜系統(tǒng)地排列所有細(xì)胞。亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)(MDC)MaxDelbrück分子醫(yī)學(xué)中心定量發(fā)育生物學(xué)研究組負(fù)責(zé)人Jan Philipp Junker博士說(shuō)：“每當(dāng)我們使用這種技術(shù)檢查器官或生物體時(shí)，我們都找不到只有熟悉的細(xì)胞類(lèi)型，還有未知和罕見(jiàn)的細(xì)胞類(lèi)型。下一個(gè)問(wèn)題很明顯 - 這些不同的類(lèi)型來(lái)自何處?“Junker的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)在Nature Biotechnology上發(fā)表了一篇論文這描述了一種名為L(zhǎng)INNAEUS的技術(shù)，使研究人員能夠確定細(xì)胞類(lèi)型以及每個(gè)細(xì)胞的譜系。

“我們希望了解有機(jī)體發(fā)展的靈活性，”容克說(shuō)。如果在胚胎發(fā)育過(guò)程中發(fā)生損傷，例如，由于突變或環(huán)境影響，修復(fù)機(jī)制確保動(dòng)物后來(lái)看起來(lái)健康。只有每個(gè)細(xì)胞的譜系才能分辨出損傷程度和修復(fù)機(jī)制的真實(shí)故事。甚至成年斑馬魚(yú)的心臟也可以在受傷后再生。“這是一個(gè)重復(fù)的生物發(fā)展過(guò)程，還是一個(gè)新的事物?”容克說(shuō)。“細(xì)胞會(huì)改變并承擔(dān)其他任務(wù)嗎?”在某些情況下，缺失的細(xì)胞類(lèi)型是導(dǎo)致特定疾病的原因。將來(lái)，研究人員將能夠使用譜系樹(shù)利用LINNAEUS可追溯的所有細(xì)胞，以形成關(guān)于這些問(wèn)題的新假設(shè)。

快速修補(bǔ)會(huì)導(dǎo)致意外疤痕

該技術(shù)基于DNA中的疤痕，它們像條形碼一樣起作用，從中可以確定每個(gè)細(xì)胞的譜系。雖然斑馬魚(yú)胚胎仍然處于單細(xì)胞階段，但Junker的團(tuán)隊(duì)注入了CRISPR-Cas9系統(tǒng)。在接下來(lái)的8個(gè)小時(shí)內(nèi)，Cas9反復(fù)切割出魚(yú)類(lèi)肯定不需要的序列：紅色熒光蛋白(RFP)的基因。胚胎的紅色光芒逐漸消失，DNA傷口上形成數(shù)千個(gè)疤痕。“CRISPR總是在確切的位置進(jìn)行切割。但在下一次細(xì)胞分裂發(fā)生前，細(xì)胞修復(fù)時(shí)間不超過(guò)15分鐘，”容克說(shuō)。“必須快速完成修補(bǔ)，因此染色體片段會(huì)粘在一起。這就是錯(cuò)誤發(fā)生的地方.DNA中的疤痕是隨機(jī)長(zhǎng)度的，它們的確切位置也會(huì)發(fā)生變化。”子細(xì)胞在細(xì)胞分裂過(guò)程中遺傳了遺傳性瘢痕。因此，可以通過(guò)其遺傳瘢痕鑒定源自共同祖先的細(xì)胞。

雖然單細(xì)胞RNA測(cè)序按細(xì)胞類(lèi)型映射數(shù)千個(gè)細(xì)胞，但瘢痕顯示細(xì)胞之間有數(shù)百萬(wàn)個(gè)連接。從這種混亂的數(shù)據(jù)中重建譜系樹(shù)帶來(lái)了各種挑戰(zhàn)。有些傷疤特別容易發(fā)生。“這很危險(xiǎn)，因?yàn)槿绻谛呐K和腦細(xì)胞中產(chǎn)生相同的疤痕序列，人們可能會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為它們有共同的祖先，”容克說(shuō)。因此，我們必須知道哪些序列我們不能信任并過(guò)濾掉它們。“此外，并非所有細(xì)胞中的傷疤都能被發(fā)現(xiàn)，生物信息學(xué)家Bastiaan Spanjaard說(shuō)，”該研究的主要作者之一。“因此我們開(kāi)發(fā)了一種方法彌合數(shù)據(jù)中的空白，使我們能夠構(gòu)建譜系樹(shù)。“

放大數(shù)據(jù)集

最終結(jié)果是譜系樹(shù)，其中樹(shù)枝分裂的彩色餅圖。每個(gè)分區(qū)都是一個(gè)疤痕，餅圖上的每種顏色都顯示它出現(xiàn)在哪種細(xì)胞類(lèi)型中。研究人員可以根據(jù)需要盡可能詳細(xì)地放大極大型數(shù)據(jù)集的緊湊表示。

“例如，在心臟中，有兩種細(xì)胞類(lèi)型幾乎無(wú)法區(qū)分。但譜系樹(shù)顯示它們的發(fā)育很早就在不同方向分支，”容克說(shuō)。“我們接下來(lái)想要了解這些細(xì)胞類(lèi)型在魚(yú)心中的位置。這通常首先表明它們所服務(wù)的功能。”他的實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)使用斑馬魚(yú)作為模型生物，但Junker也看到了將這種技術(shù)應(yīng)用于人類(lèi)器官的巨大潛力。這最終可以幫助我們了解患者中的哪些突變會(huì)對(duì)細(xì)胞譜系樹(shù)造成永久性損傷。