DNA打字机与PEtracer绘制小鼠发育谱系

研究人员利用两种DNA记录系统，重建了小鼠胚胎发育过程中的细胞家族树。两项配套研究分别发表在《科学》（Science）和《细胞》（Cell）上，提供了哺乳动物发育的高分辨率视图。由于胚胎在子宫内发育且无法连续观察，这一过程此前一直难以追踪。

DNA Typewriter：以DNA为记录介质

《科学》研究团队由华盛顿大学医学院基因组科学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员Jay Shendure博士和达特茅斯学院分子与系统生物学家Chengxiang Qiu博士共同领导。他们的方法核心是DNA Typewriter，一种由Shendure和Junhong Choi博士开发的谱系追踪技术，利用细胞DNA作为记录介质。

研究人员重新设计了该系统的记录“磁带”，使其历史更容易从单个细胞中恢复，然后将其插入受精小鼠卵的基因组。随着细胞分裂，编辑爆发明确标记了第一次卵裂的子代细胞。由于子代细胞在获得新标记前已继承先前写入的标记，共享模式揭示了共同祖先和发育分支顺序。

Shendure表示：“大多数生物测量基于活体成像或基因组学，前者受限于大多数动物组织不透明，后者具有破坏性且只能测量单一时间点。像这些研究中的记录技术，能够实现随时间推移的测量，包括我们无法直接可视化的环境。”

实验在100个受精卵中尝试，获得10个可供检查的胚胎。其中一个胚胎携带了信息最丰富的记录，使团队能够将几乎所有分析细胞追溯到受精卵分裂后最初两个细胞之一。尽管一个创始细胞产生了更多后代，但两个分支以几乎相等的比例生成了多样细胞类型。

细胞命运决定的时间表

有序记录还使研究人员能够估计细胞类型从共享发育路径分化出来的时间。血液和视网膜细胞相对较早定向，而形成皮肤外层的细胞则较晚定向。结果表明，细胞身份并非在单一协调步骤中固定；相反，不同谱系按不同时间表受到限制。

早期的谱系追踪方法常依赖DNA切割酶，可能损伤细胞、抹去先前记录、耗尽记录容量，或留下无序标记而需推断时间顺序。共同第一作者、华盛顿大学医学院基因组科学博士后Haedong Kim博士说：“DNA Typewriter避免了所有这些。它写入时不完全切断DNA，保持相对稳定的记录，并按严格顺序写入，因此我们可以更高分辨率、更长时间地记录细胞谱系。”

PEtracer：大规模谱系动态图谱

在《细胞》论文中，Jonathan Weissman博士及其同事使用名为PEtracer的先导编辑系统，绘制了来自16个小鼠胚胎的超过140万个细胞的谱系动态。与《科学》中的DNA Typewriter研究一起，这项工作证明哺乳动物细胞家族树可以以前所未有的规模重建。Weissman说：“这确实是原理验证，我们可以做到1983年在秀丽隐杆线虫中完成的事情，但对象是像你我这样的哺乳动物。”

该工作为研究正常器官如何形成以及发育何处出错提供了框架。更完整的谱系记录可帮助研究人员研究先天性畸形、神经发育和遗传疾病以及癌症，并指导干细胞工程。Shendure解释：“像这些研究中的记录技术，能够实现随时间推移的测量，包括我们无法直接可视化的环境。”将这些方法扩展到更多胚胎和实验条件，可能支持更定量、最终可预测的哺乳动物发育模型。

来源：GEN（英文原文，生物航编译，内容以原文为准）