研究人員開發(fā)了一種新的方法來閱讀細(xì)胞的歷史和“家譜”。該技術(shù)被稱為MEMOIR，或通過光學(xué)原位讀數(shù)的工程誘變記憶，可以記錄動物細(xì)胞的生活史 - 它們與其他細(xì)胞的關(guān)系，通信模式以及塑造它們的有影響的事件。“MEMOIR允許細(xì)胞在他們的基因組中記錄他們的歷史，并允許我們使用先進(jìn)的顯微鏡方法讀出這些信息，”加州理工學(xué)院化學(xué)助理教授，新研究的首席研究員Long Cai說，他于11月21日在期刊上發(fā)表自然。該論文的Colead作者是博士后學(xué)者Kirsten Frieda和Sahand Hormoz，以及研究科學(xué)家James Linton。

“通常情況下，我們只能在看到細(xì)胞時看到細(xì)胞的狀態(tài)，”加州理工學(xué)院生物學(xué)和生物工程學(xué)教授，霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的調(diào)查員，聯(lián)合首席研究員Michael Elowitz說。“但我們真正想知道的是，那個牢房的歷史是什么?它的姐妹和表兄弟是誰?是誰和誰說話呢?”

這項新研究證明了原理，證明MEMOIR可以讀取小鼠細(xì)胞的歷史。最終，研究人員表示，該方法將有助于理解組織和動物的發(fā)育，以及對腫瘤等病變組織異常發(fā)育的研究。

重建細(xì)胞家譜

就像生物學(xué)家使用DNA追蹤人類和其他動物物種的譜系一樣，分子生物學(xué)家可以使用DNA來追蹤細(xì)胞譜系。隨著動物的發(fā)育，它們的細(xì)胞分裂和繁殖，導(dǎo)致新一代。分子生物學(xué)家一直在開發(fā)各種方法來重建細(xì)胞家族的譜系，并回答關(guān)于它們何時以及如何發(fā)展的問題。

兩個新的強大工具幫助實現(xiàn)了這一目標(biāo)。在一個基因組編輯中，在稱為CRISPR的DNA切片系統(tǒng)的幫助下，可以在任何指定的靶位點改變發(fā)育中生物的遺傳密碼。寫在一個細(xì)胞基因組中的任何變化都會傳遞給后代。動物發(fā)育早期發(fā)生的變化將出現(xiàn)在其許多細(xì)胞中，而最近的變化將出現(xiàn)在更少的細(xì)胞中。通過分析DNA編輯的模式，研究人員可以識別細(xì)胞的共同祖先，并弄清楚它們是如何相關(guān)的; 例如，他們可以確定哪些細(xì)胞是姐妹或堂兄弟。類似的方法被用于不同的科學(xué)領(lǐng)域 - 包括中世紀(jì)的歷史。

“歷史學(xué)家可以識別中世紀(jì)手稿的譜系和起源，因為中世紀(jì)抄寫員在修道院中傳播的錯誤，”蔡說。“因此，傳播的錯誤對文本的歷史非常有用，在我們的例子中，就是細(xì)胞。”

另一種稱為連續(xù)單分子熒光原位雜交-seqFISH的工具是由Cai開發(fā)的，用于了解哪些基因在單個細(xì)胞中具有活性。在最近的一篇Neuron論文中，Cai的團隊展示了該技術(shù)如何用于確定單個細(xì)胞中200多個基因的表達(dá)水平。該方法還可以讓研究人員分析細(xì)胞在體內(nèi)原位的基因活性。先前的技術(shù)要求細(xì)胞與其天然環(huán)境分離。

在這項新研究中，科學(xué)家將兩種工具結(jié)合起來：seqFISH方法用于跟蹤通過CRISPR編輯引入基因組的變化。

“關(guān)鍵的洞察力是開發(fā)一種特殊的基因組記憶存儲元件，類似于計算機位，可以在兩種不同的狀態(tài)下被CRISPR翻轉(zhuǎn)，”Elowitz說。“這可以通過查看具有seqFISH的細(xì)胞并確定它們是否共享相同的CRISPR編輯來區(qū)分。”

記錄蜂窩“談話”

該系統(tǒng)不僅可以用于了解細(xì)胞譜系信息，還可以用于了解過去細(xì)胞發(fā)生的事件 - 當(dāng)它們彼此接收消息或者當(dāng)它們從一種細(xì)胞類型變?yōu)榱硪环N細(xì)胞類型時。例如，隨著腫瘤的發(fā)展，一些細(xì)胞可能比其他細(xì)胞接收不同的分子信號，從而引發(fā)不同的命運。一個細(xì)胞可能轉(zhuǎn)移并遷移，而另一個細(xì)胞保持靜止。跟蹤過去信號如何影響當(dāng)前細(xì)胞命運的能力可以提供跨時間和空間的腫瘤發(fā)展的新視圖。

“這項技術(shù)使我們能夠獲取我們以前從未了解到的細(xì)胞內(nèi)的信息，”林頓說。“潛在地，MEMOIR可記錄單個細(xì)胞內(nèi)多種信號通路的活性，提供有關(guān)通路如何協(xié)同作用以影響細(xì)胞決策的信息，例如當(dāng)神經(jīng)干細(xì)胞分化成神經(jīng)元時。”

在目前的研究中，研究人員追溯了三代小鼠胚胎干細(xì)胞的歷史。在未來，他們希望能夠追隨更多世代 - 并最終通過他們的細(xì)胞回憶錄了解動物發(fā)展的生活故事。