CRISPR编辑小鼠 可追踪体内单细胞发育谱系和表达谱信息

追踪细胞发育的谱系历史是回答生物学中各种基本问题的关键之一。将细胞谱系发育线索与其他分子信息结合起来，是该领域的重要目标之一。数十年来许多发育生物学家的梦想是能有一种方法：可以随着胚胎的发育或组织的构建、逐个细胞地重建每个细胞谱系——跟踪其整个从胚胎到成体的发育过程，揭示从亲代细胞到每一代子细胞的谱系“家族树”，以及每个细胞是如何随着时间推移打开或关闭了哪些基因。

过去，科学家只能使用染料或荧光标记物来追踪小鼠中的一小组细胞。也有报道使用分子标签或barcode条码，但是需要已知有关标记的信息才能区分出不同的细胞类型，还需要耗时费力的细胞提取和操作，这可能会影响它们的特性。CRISPR技术的出现，使得研究人员可以在不影响细胞的情况下对细胞进行barcode条码标记，并可以同时跟踪数千个细胞的谱系。

波士顿儿童医院和Dana-Farber癌症研究所/哈佛医学院的干细胞研究计划的科学家们使用了一种他们称为CRISPR阵列修复谱系追踪（CRISPR array repair lineage tracing (CARLIN)）的方法，设计了一种小鼠模型，能够以可诱导的方式在小鼠发育或成年的任何时间点上生成转录识别条码——可多达44,000种条码、与测序条码编码兼容且具有完全的遗传定义。再利用单细胞RNA测序即可采集到每个条码标记的细胞的基因表达模式，然后可以获得该种细胞的类型和功能的相关信息。通过这种方法可以同时拷问体内单个细胞的发育谱系和转录组信息，在出现某个细胞类型时就识别出其从哪来、细胞类型、以及哪些基因被“打开”了，这使得研究人员能够追踪从胚胎期到成年的体内每个细胞以及其对应的基因表达谱，帮助研究人员更好地理解发育，衰老和疾病机制。

研究人员使用CARLIN来鉴别胚胎肝造血干细胞（HSC）克隆活性的内在偏向性。CARLIN还可以无偏向性地鉴别与HSC活性相关的转录标记而无需进行细胞分选。这个系统还可用于了解疾病和衰老过程中细胞谱系树的变化，用于分析对环境刺激的反应——例如病原体暴露和营养摄入等。

“能够创建哺乳动物组织的单细胞谱系图谱是前所未有的，除了在研究发育生物学中的许多应用外，新模型还可以为了解在生物体对伤害或疾病的响应过程中受到影响的细胞类型和层次提供新见解。”