华人先锋Nature发布CRISPR与单细胞技术突破：细胞的祖宗十八代

　　加州理工学院的研究人员研发出了一种新技术： MEMOIR，这种技术结合了CRISPR与另外一种强大的技术seqFISH，后者被证明可以确定单细胞中超过200个基因的表达水平。

　　

生物通报道：加州理工学院的研究人员研发出了一种新技术： MEMOIR ，这种技术能读取单个细胞的历史与“家族进化树”，也就是说，能记录下来动物细胞的生活历史，比如它们与其它细胞的关系，与其它细胞的交流，还有在它身上发生的影响力事件。

这一研究成果公布在11月21日的Nature杂志上，文章的通讯作者是加州理工学院蔡龙（Long Cai）研究员，这位单细胞研究的华人先锋曾荣获美国国家卫生研究院（NIH）的“创新奖”，他采用了一种称作超分辨率条形码（super-resolution barcoding）的技术将基因组学和蛋白质组学应用到单细胞中从而将其投入充分的利用。

对于这项最新成果，他表示“MEMOIR能帮助细胞记录下它们在基因组中的历史，从而科学家们能利用先进的显微技术读取这些信息”。最终这项技术也许能用于分析肿瘤等病变组织的异常发展。

重构细胞家族树

生物学家利用DNA追踪人类和其他动物物种的血统，同样分子生物学家也可以使用DNA追踪细胞谱系。随着动物的发育，它们的细胞分裂，大量繁殖，生成新的下一代。科学家们一直希望能研发出重构细胞家族谱系，了解细胞何时以及如何生长的技术方法。

现在有两种功能强大的新工具能做到这一点，一个就是基因组编辑，CRISPR能在任何靶标上改变遗传密码，这样细胞基因组中的变化就能传递给下一代。分析这些编辑模式，研究人员就能识别出细胞的共同祖先，找到它们的亲戚。

另外一个工具就是sequential single molecule Fluorescence In Situ Hybridization（顺序单分子荧光原位杂交技术，生物通译），简称为 seqFISH ，这是蔡教授研究组开放的，能分析单个细胞中的活性基因。在近期Neuron的一篇文章中，这一研究组证实了这一技术能用于确定单细胞中超过200个基因的表达水平。而且这一方法还能帮助研究人员分析体内原位细胞中的基因活性，之前的技术只能针对分离细胞。

在最新这项研究中，蔡教授将两者结合了起来：利用seqFISH 技术追踪 CRISPR编辑基因组中的变化。

“这项研究的突破性在于，研发出了一种特殊的基因组记忆存储元素，这就类似于计算机位，通过CRISPR在两个不同状态下翻转。这可以通过seqFISH确定它们是否分享了同一个CRISPR编辑来区分细胞，”文章的另外一位通讯作者Michael Elowitz说。

记录细胞的“谈话”

这个系统：MEMOIR （Memory by Engineered Mutagenesis with Optical In situ Readout）不仅可以用于了解细胞谱系信息，而且还可以分析细胞过去发生的事件，看看它们如何从其它细胞接受信息，以及何时从一种细胞类型转变成另外一种细胞类型。

比如在肿瘤发展过程中，一些细胞会接收特殊的分子信号，从而启动不同的命运。一个细胞也许会成为转移性和迁移性细胞，而另一个细胞则保持静止状态。追踪这些影响细胞命运的信号，将能为了解肿瘤发展提出跨时间和空间的新观点。

研究人员认为，这一技术能帮助科学家们了解细胞过去的信息，记录单细胞中的多个信号途径活性，为分析这些途径如何合作，影响细胞做出决定提供信息，比如一个神经干细胞何时分化成一个神经元。

目前研究人员已经可以追溯小鼠胚胎干细胞的历史超过三代。将来他们希望能追踪到更早的时间，并最终了解动物发育的生活史。

（生物通：张迪）

原文标题：

Synthetic recording and in situ readout of lineage information in single cells