2016年6月1日/生物谷BIOON/--根據一項新的研究，在經過基因改造的斑馬魚胚胎中讓特定的人工合成DNA片段發生突變能夠讓研究人員不可逆地對發育期間的細胞和它們的子細胞進行標記。這種技術允許沿著成體細胞譜系圖追蹤到它們的胚胎起源。相關研究結果於2016年5月26日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Whole organism lineage tracing by combinatorial and cumulative genome editing」。
這些作者「開發出一種非常強大的工具而允許我們對細胞和器官發育進行譜系追蹤。」 美國南加州大學幹細胞生物學家Rong Lu（未參與這項研究）說。「我認為研究癌症等疾病和理解組織再生也是非常有趣的」，她說。
發育生物學的最重要---如果還沒有確定的話---目標是理解單個受精卵如何發育成一個完整的多細胞有機體。基本上，發育生物學家想知道「一種給定的細胞變成什麼，以及它何時進行這樣的轉變」，美國約翰霍普金斯大學醫學院遺傳學家Aravinda Chakravarti（未參與這項研究）說。
科學家們已開發出多種技術來追蹤細胞譜系，Chakravarti繼續說道，「但是它們當中沒有一種技術能夠工作得非常好。」比如，利用染料或報告基因對細胞和它們的子細胞進行標記的方法只允許分析有限數量的細胞。即便對細胞全基因組進行測序---鑑定體細胞突變以便揭示單個細胞之間的關聯性（或者說親緣性）---在全基因組水平上也不是一種可行的選擇。「你不能夠對一個人的百萬個[細胞]基因組進行測序」，論文共同通信作者、哈佛大學研究員Alex Schier說。「那是承受不起的。」
Schier和同事們的新方法被稱作合成靶標陣列基因組編輯用於譜系追蹤（genome editing of synthetic target arrays for lineage tracing, GESTALT）。它的工作流程為：將外源DNA片段（合成靶標陣列）導入單個受精細胞的基因組中，然後在發育過程中，通過基因組編輯特異性地和累積性地讓這種陣列發生突變，這樣早期的突變標記著很多細胞，而後期的突變標記著少量細胞。對這種陣列發生的突變進行限制意味著有機體的正常發育不受影響。
研究人員隨後對這種合成陣列進行測序；所獲得的突變被用來重建細胞譜系樹。「它允許你一段時間內觀察細胞彼此之間的親緣性」，Schier告訴《科學家》雜誌。
Schier說，研究人員隨後在一項概念驗證實驗中利用這種GESTALT方法追蹤成年斑馬魚器官中的細胞譜系。研究人員發現來自每種成年斑馬魚組織起源自小量建立者細胞（founder cell, 也譯作生成細胞）。確實，在大多數組織中，少於25種等位基因（合成陣列的突變版本）產生90%以上的細胞。作為一種極端的例子，僅僅5種等位基因產生血液中98%以上的細胞。
Schier說，他「非常吃驚地看到如此少的細胞產生器官中如此多的細胞」，並且補充道，目前仍不清楚這種較少的數量是否反映一種非常有限的起始細胞群體，或者器官發育時，先是有很多建立者細胞，但是這些細胞隨後被清除了。
他說，利用GESTALT研究特定發育階段應當有助解決這些問題。
Schier說，除了用於經典的發育生物學研究之外，GESTALT也能夠被用來追蹤腫瘤生長和轉移時該腫瘤中的細胞譜系，或者研究哪些細胞負責再生給定的組織。他補充道，如果基因編輯技術經改造後依賴於特定的信號或環境信號，那麼GESTALT甚至可能被用來確定細胞群體中哪些細胞接受這些信號輸入和它們會變成什麼。
簡言之，「這種方法能夠被用來揭示參與細胞分裂的任何過程」，Chakravarti說。「它是一項非常重要的研究。」
來自英國弗朗西斯-克裡克研究所的James Briscoe（未參與這項研究）對此也表示贊同。「這是這樣的一篇論文，當你讀到它時，你就立刻想到幾種或者十幾種你利用這種技術能夠做的事情」，他說。（生物谷 Bioon.com）
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Whole organism lineage tracing by combinatorial and cumulative genome editing
doi:10.1126/science.aaf7907
Aaron McKenna1,*, Gregory M. Findlay1,*, James A. Gagnon2,*, Marshall S. Horwitz1,3, Alexander F. Schier2,4,5,6,†, Jay Shendure
Multicellular systems develop from single cells through distinct lineages. However, current lineage tracing approaches scale poorly to whole, complex organisms. Here, we use genome editing to progressively introduce and accumulate diverse mutations in a DNA barcode over multiple rounds of cell division. The barcode, an array of CRISPR/Cas9 target sites, marks cells and enables the elucidation of lineage relationships via the patterns of mutations shared between cells. In cell culture and zebrafish, we show that rates and patterns of editing are tunable and that thousands of lineage-informative barcode alleles can be generated. By sampling hundreds of thousands of cells from individual zebrafish, we find that most cells in adult organs derive from relatively few embryonic progenitors. In future analyses, genome editing of synthetic target arrays for lineage tracing (GESTALT) can be used to generate large-scale maps of cell lineage in multicellular systems for normal development and disease.
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