斑馬魚之后，CRISPR再探哺乳動物胚胎發育史

Researchers have used gene-editing to track the cell-by-cell development of a mouse embryo.Credit: Agnieszka Jedrusik and Magdalena Zernicka-Goetz, Gurdon Institute.

8月9日，這項重磅成果以“Developmental barcoding of whole mouse via homing CRISPR”為題發表在《Science》雜志，并于同日得到《Nature》雜志特別報道。

“這是一段時間以來人們夢寐以求的結果，很高興看到這篇論文問世。” 西雅圖華盛頓大學的遺傳學家Aaron McKenna說，他曾用CRISPR研究了斑馬魚的部分發育狀況 。

多年來，生物學家想方設法通過追蹤逐個細胞的發育來剖析某一生物體的發展（例如用染料標記它們）。但是這些工具無法追蹤細胞經歷多次分裂，更不用說在生物體的整個生命中。然而，在過去的兩年里，CRISPR - Cas9基因組編輯已經成為一種用于監控發育細節的有效工具。

設計“條形帶”

先前研究中，研究人員在斑馬魚基因組中設計了特殊的基因序列，就像一條記錄帶：CRISPR通過添加或刪除DNA在這些序列上留下標記，給每個細胞一個獨特的遺傳“條形碼”。這些編輯隨著細胞分裂而累積。通過讀取“條形碼”，科學家可以重建細胞系譜，顯示細胞之間的關系。

技能升級

而像小鼠這樣的哺乳動物比斑馬魚有更多的細胞。為了用CRISPR追蹤它們的發展，最新研究的通訊作者兼第一作者、馬薩諸塞州波士頓哈佛醫學院的分子生物學家Reza Kalhor領導的小組培育了一系列小鼠，這些小鼠的基因組中有60個“條形碼”位點，理論上足以給每只成年小鼠的100億個細胞打上一個獨特的標簽。

當研究人員觀察12天大的小鼠胚胎“條形碼”中積累的突變模式時，他們能夠追蹤每個胚胎原始心臟和四肢以及胎盤中的細胞歷史。

該小組還展示了“條形碼”如何幫助回答關于哺乳動物發育的公開問題。通過檢查胚胎腦組織，他們發現大腦左右兩側的等效區域之間的“條形碼”圖案比同一側不同區域的細胞之間的條形碼圖案更相似——這表明它們是由最近的細胞分裂形成的。這種模式表明，從大腦的前部到后部的軸形成于從左到右的軸之前——這是神經科學家用現有工具難以確定的時間線。

柏林馬克斯?德爾布呂克分子醫學中心的系統生物學家Jan Philipp Junker說，這項研究是一個“重要的發展”。然而，他也補充道，作者讀出條形碼的方式是通過查看組織樣本中的細胞集合，而不是檢查單個細胞——目前阻止了他們詳細追蹤細胞譜系，繪制出整個分裂歷史。

Kalhor表示，該研究小組希望在未來能探索出快速從單個細胞中讀出條形碼的方法。

McKenna說，追蹤小鼠的細胞譜系有望成為了解人類疾病的細胞基礎的有效工具。例如，癌癥研究人員可以用他們自己的小鼠癌癥模型培育“條形碼”菌株，以詳細檢查這種疾病是如何破壞細胞分裂的。“我認為我們離這個目標有點距離，但這項研究是朝這一方向邁出的一大步。”他總結道。