5月26日，發(fā)表在Science上的一項(xiàng)研究中，哈佛大學(xué)的發(fā)育生物學(xué)家Alexander Schier和他的同事設(shè)計(jì)了一種在發(fā)育動(dòng)物中標(biāo)記和追蹤細(xì)胞的新方法。在首次測(cè)試中，研究人員利用CRISPR技術(shù)揭示了一項(xiàng)驚人的發(fā)現(xiàn)，即成年斑馬魚(yú)中的許多組織和器官僅僅是從幾個(gè)胚胎細(xì)胞形成的。
Francis Crick研究所的發(fā)育生物學(xué)家James Briscoe說(shuō)：“這是對(duì)CRISPR技術(shù)的一次創(chuàng)新性使用。”在CRISPR的一種原始用途中，模板DNA會(huì)告訴細(xì)胞如何修復(fù)雙鏈缺口，但如果科學(xué)家不提供模板，細(xì)胞就無(wú)法精準(zhǔn)修復(fù)斷裂處，最終會(huì)留下“傷疤”，導(dǎo)致一些核苷酸缺失，或者添加“錯(cuò)誤”的核苷酸。
Three-day-old zebrafish embryos.
為了確保斑馬魚(yú)基因真的被刪除，Schier通過(guò)引入多種不同的向?qū)NA靶向了多個(gè)位點(diǎn)。但是重復(fù)試驗(yàn)卻帶了截然不同的結(jié)果，包括刪除部分的大小多種多樣等。Schier及華盛頓大學(xué)的遺傳學(xué)家Jay Shendure意識(shí)到，這種破壞的多樣性可以被用于新的研究。
在斑馬魚(yú)胚胎基因組中，Schier和Shendure插入了一些額外的DNA，包括10種不同的CRISPR靶向序列。隨后，他們向單細(xì)胞胚胎中注射了Cas9酶和10種與靶向序列匹配的向?qū)NA。隨著胚胎的發(fā)育，CRISPR系統(tǒng)會(huì)反復(fù)的破壞和靶向每個(gè)細(xì)胞中的DNA，最終形成了一種獨(dú)特的“條形碼”。
當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)，子細(xì)胞最初會(huì)擁有相同的“條形碼”，但當(dāng)Cas9作用于不同的位置時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生差異。“條形碼”的第一次變化似乎發(fā)生在胚胎變成兩個(gè)細(xì)胞的階段，隨后基因編輯系統(tǒng)會(huì)在運(yùn)行約4個(gè)小時(shí)后“耗盡力氣”。當(dāng)胚胎發(fā)育成成千上萬(wàn)個(gè)細(xì)胞后，留下來(lái)的“條形碼”將隨著細(xì)胞的繼續(xù)增殖在成年動(dòng)物細(xì)胞中出現(xiàn)。
A cellular family tree
四個(gè)月后，科學(xué)家們收集了成年斑馬魚(yú)的器官，從約20萬(wàn)個(gè)細(xì)胞中分離出一千多種不同的“條形碼”。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大部分器官中超過(guò)一半的細(xì)胞共享著不到7個(gè)“條形碼”。在除大腦外的所有器官中，25種不同的“條形碼”組成了90%以上的細(xì)胞。Briscoe說(shuō)：“組織可能是由比我預(yù)想的要小得多的一組細(xì)胞形成的。”
科學(xué)家們將這一新技術(shù)稱(chēng)為GESTALT(Genome Editing of Synthetic Target Arrays for Lineage Tracing)，它有望幫助闡明單細(xì)胞最終發(fā)展成動(dòng)物的過(guò)程;同時(shí)，GESTALT還有望揭示癌癥研究中的重要問(wèn)題，如多少前體細(xì)胞引發(fā)了腫瘤，擴(kuò)散的癌癥細(xì)胞如何與最初的腫瘤相關(guān)等。
然而，研究人員表示，這一技術(shù)也有它的缺點(diǎn)，例如它并沒(méi)有可靠地標(biāo)記每一代的細(xì)胞。但是，相比其它一些追蹤細(xì)胞和它們后代的方法(如染色或依賴自然突變)，借助CRISPR技術(shù)產(chǎn)生的“條形碼”可能更有效，且容易使用。Schier說(shuō)：“我認(rèn)為，從概念上來(lái)講，這是最令人興奮的事情，你可以記錄DNA的歷史。”
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