利用MEMOIR方法讀取細胞的歷史
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發(fā)布時(shí)間：2016-11-28
在一項新的研究中，來(lái)自美國加州理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新的方法來(lái)讀取細胞的歷史和“譜系圖”。 這種被稱(chēng)作光學(xué)原位讀取人工突變存儲（Memory by Engineered Mutagenesis with Optical In situ Readout, MEMOIR）的方法能夠記錄動(dòng)物細胞的生命歷史---它們與其他細胞之間的關(guān)系，溝通模式和影響它們的重大事件。相關(guān)研究結果于2016年11月21日在線(xiàn)發(fā)表在Nature期刊上，論文標題為“Synthetic recording and in situ readout of lineage information in single cells”。論文第一作者為博士后研究員Kirsten Frieda、Sahand Hormoz和研究科學(xué)家James Linton。
論文共同通信作者、加州理工學(xué)院化學(xué)系助理教授Long Cai說(shuō)，“MEMOIR允許細胞記錄它們的基因組中的歷史，從而允許我們利用先進(jìn)的顯微分析法讀取出這種信息?！?/span>
論文共同通信作者、加州理工學(xué)院生物學(xué)與生物工程系教授Michael Elowitz說(shuō)，“正常情形下，我們僅能夠在我們觀(guān)看細胞的時(shí)刻觀(guān)察到它的狀態(tài)。但是我們真正想要知道的是細胞的歷史是什么？誰(shuí)是它的兄弟姐妹？它跟誰(shuí)交談和何時(shí)交談？”
作為一種原理論證，這項新的研究證實(shí)MEMOIR能夠讀取小鼠細胞的歷史。最終，研究人員說(shuō)，這種方法將有助理解組織和動(dòng)物發(fā)育，以及有助研究腫瘤等患病組織的異常發(fā)育。
重建細胞譜系樹(shù)
正如生物學(xué)家們利用DNA追蹤人類(lèi)和其他動(dòng)物物種的家系，分子生物學(xué)家們能夠利用DNA追蹤細胞譜系。當動(dòng)物發(fā)育時(shí)，它們的細胞發(fā)生分裂和增殖，從而產(chǎn)生新的后代。分子生物學(xué)家們一直在開(kāi)發(fā)許多種方法來(lái)重建細胞譜系樹(shù)和解答關(guān)于它們何時(shí)和如何發(fā)育的問(wèn)題。
兩種新的強大工具有助實(shí)現這個(gè)目標。在一種被稱(chēng)作基因組編輯的工具中，在DNA切割系統CRISPR的幫助下，一種發(fā)育中的有機體的遺傳密碼能夠在任何指定的靶位點(diǎn)上發(fā)生改變。寫(xiě)在一個(gè)細胞基因組中的任何改變可傳遞給它的后代。在動(dòng)物發(fā)育早些時(shí)候發(fā)生的改變將出現在它的很多細胞中，然而較為近期的改變將出現在更少的細胞中。通過(guò)分析發(fā)生的DNA編輯模式，研究人員能夠鑒定出這些細胞的共同祖先和計算出它們的親緣關(guān)系如何，比如，他們能夠確定哪些細胞是兄弟姐妹。類(lèi)似的方法已被用于多種科學(xué)領(lǐng)域，包括中世紀史。
Cai說(shuō)，“歷史學(xué)家能夠利用中世紀抄寫(xiě)員在修道院傳播時(shí)出現的錯誤，鑒定出中世紀手稿的起源和傳承。因此，傳播錯誤對分析文本的歷史---在我們的研究中，指的是細胞的歷史---是非常有幫助的?！?/span>
另一種工具，被稱(chēng)作順序單分子熒光原位雜交（sequential single molecule Fluorescence In Situ Hybridization, seqFISH），是由Cai開(kāi)發(fā)的，用于了解哪些基因在單個(gè)細胞中是有活性的。在最近的一篇發(fā)表在Neuron期刊上的論文中，Cai團隊展示了這種技術(shù)如何能夠被用來(lái)確定200多種基因在單個(gè)細胞中的表達水平。這種方法也讓研究人員在細胞的體內起源位置處分析它的基因活性。之前的技術(shù)需要這些細胞與它們的自然環(huán)境相分離。
在這項新的研究中，研究人員將這兩種工具結合在一起：seqFISH方法被用來(lái)追蹤通過(guò)CRISPR基因編輯引入到基因組中的變化。
Elowitz說(shuō)，“關(guān)鍵的見(jiàn)解是開(kāi)發(fā)一種特定類(lèi)型的基因組內存儲存元件，類(lèi)似于一個(gè)計算機比特，而且它能夠通過(guò)CRISPR在兩種不同的狀態(tài)之間進(jìn)行翻轉。僅僅利用seqFISH研究這些細胞并且確定它們是否擁有相同的CRISPR編輯位點(diǎn)就可區分它們所處的狀態(tài)?！?/span>
記錄細胞“交談”
這個(gè)系統不僅能夠被用來(lái)了解細胞譜系信息，而且也能夠被用來(lái)了解這些細胞過(guò)去發(fā)生的事件---它們何時(shí)接收來(lái)自彼此的信息或者它們何時(shí)從一種細胞類(lèi)型變成另一種細胞類(lèi)型。比如，當腫瘤產(chǎn)生時(shí)，一些細胞可能接受來(lái)自其他細胞的不同分子信號，從而引發(fā)截然不同的命運。一種細胞可能變成轉移性的和能夠遷移，而另一種細胞保持靜止不動(dòng)。追蹤過(guò)去的信號如何影響當前的細胞命運的能力可能為腫瘤的時(shí)空發(fā)育提供一種新的視角。
Linton說(shuō)，“這種技術(shù)有望讓我們獲得細胞內我們之前并不知曉的信息。潛在地，MEMOIR能夠記錄單個(gè)細胞內多個(gè)信號轉導通路的活性，從而有助認識這些通路如何一起合作來(lái)影響細胞作出決策，如神經(jīng)干細胞何時(shí)分化為神經(jīng)元?！?/span>
在這項新的研究中，研究人員追蹤了小鼠胚胎干細胞三代的歷史。在未來(lái)，他們希望追蹤更多代，從而最終了解動(dòng)物發(fā)育的生命故事，正如它們的細胞回憶錄告訴的那樣。（轉載于生物谷）
