5月26日，發(fā)表在Science上的一項研究中，哈佛大學的發(fā)育生物學家Alexander Schier和他的同事設計了一種在發(fā)育動物中標記和追蹤細胞的新方法。在首次測試中，研究人員利用CRISPR技術揭示了一項驚人的發(fā)現，即成年斑馬魚中的許多組織和器官僅僅是從幾個胚胎細胞形成的。
Francis Crick研究所的發(fā)育生物學家James Briscoe說：“這是對CRISPR技術的一次創(chuàng)新性使用。”在CRISPR的一種原始用途中，模板DNA會告訴細胞如何修復雙鏈缺口，但如果科學家不提供模板，細胞就無法精準修復斷裂處，最終會留下“傷疤”，導致一些核苷酸缺失，或者添加“錯誤”的核苷酸。
Three-day-old zebrafish embryos.
為了確保斑馬魚基因真的被刪除，Schier通過引入多種不同的向導RNA靶向了多個位點。但是重復試驗卻帶了截然不同的結果，包括刪除部分的大小多種多樣等。Schier及華盛頓大學的遺傳學家Jay Shendure意識到，這種破壞的多樣性可以被用于新的研究。
在斑馬魚胚胎基因組中，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，他們向單細胞胚胎中注射了Cas9酶和10種與靶向序列匹配的向導RNA。隨著胚胎的發(fā)育，CRISPR系統會反復的破壞和靶向每個細胞中的DNA，最終形成了一種獨特的“條形碼”。
當細胞分裂時，子細胞最初會擁有相同的“條形碼”，但當Cas9作用于不同的位置時，就會產生差異。“條形碼”的第一次變化似乎發(fā)生在胚胎變成兩個細胞的階段，隨后基因編輯系統會在運行約4個小時后“耗盡力氣”。當胚胎發(fā)育成成千上萬個細胞后，留下來的“條形碼”將隨著細胞的繼續(xù)增殖在成年動物細胞中出現。
A cellular family tree
四個月后，科學家們收集了成年斑馬魚的器官，從約20萬個細胞中分離出一千多種不同的“條形碼”。結果發(fā)現，大部分器官中超過一半的細胞共享著不到7個“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%以上的細胞。Briscoe說：“組織可能是由比我預想的要小得多的一組細胞形成的。”
科學家們將這一新技術稱為GESTALT(Genome Editing of Synthetic Target Arrays for Lineage Tracing)，它有望幫助闡明單細胞最終發(fā)展成動物的過程;同時，GESTALT還有望揭示癌癥研究中的重要問題，如多少前體細胞引發(fā)了腫瘤，擴散的癌癥細胞如何與最初的腫瘤相關等。
然而，研究人員表示，這一技術也有它的缺點，例如它并沒有可靠地標記每一代的細胞。但是，相比其它一些追蹤細胞和它們后代的方法(如染色或依賴自然突變)，借助CRISPR技術產生的“條形碼”可能更有效，且容易使用。Schier說：“我認為，從概念上來講，這是最令人興奮的事情，你可以記錄DNA的歷史。”
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