通過MEMOIR方法獲取細胞的歷史

在一項新的研究中，來自美國加州理工學院的研究人員開發出一種新的方法來讀取細胞的歷史和“譜系圖”。這種被稱作光學原位讀取人工突變存儲（Memory by Engineered Mutagenesis with Optical In situ Readout, MEMOIR）的方法能夠記錄動物細胞的生命歷史---它們與其他細胞之間的關係，溝通模式和影響它們的重大事件。相關研究結果於20xx年11月21日在線發表在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後研究員Kirsten Frieda、Sahand Hormoz和研究科學家James Linton。

論文共同通信作者、加州理工學院化學系助理教授Long Cai説，“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的顯微分析法讀取出這種信息。”

論文共同通信作者、加州理工學院生物學與生物工程系教授Michael Elowitz説，“正常情形下，我們僅能夠在我們觀看細胞的時刻觀察到它的狀態。但是我們真正想要知道的是細胞的歷史是什麼？誰是它的兄弟姐妹？它跟誰交談和何時交談？”

作為一種原理論證，這項新的研究證實MEMOIR能夠讀取小鼠細胞的歷史。最終，研究人員説，這種方法將有助理解組織和動物發育，以及有助研究腫瘤等患病組織的異常發育。

重建細胞譜系樹

正如生物學家們利用DNA追蹤人類和其他動物物種的家系，分子生物學家們能夠利用DNA追蹤細胞譜系。當動物發育時，它們的細胞發生分裂和增殖，從而產生新的後代。分子生物學家們一直在開發許多種方法來重建細胞譜系樹和解答關於它們何時和如何發育的問題。

兩種新的強大工具有助實現這個目標。在一種被稱作基因組編輯的工具中，在DNA切割系統CRISPR的幫助下，一種發育中的有機體的遺傳密碼能夠在任何指定的靶位點上發生改變。寫在一個細胞基因組中的任何改變可傳遞給它的後代。在動物發育早些時候發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。通過分析發生的DNA編輯模式，研究人員能夠鑑定出這些細胞的共同祖先和計算出它們的親緣關係如何，比如，他們能夠確定哪些細胞是兄弟姐妹。類似的方法已被用於多種科學領域，包括中世紀史。

Cai説，“歷史學家能夠利用中世紀抄寫員在修道院傳播時出現的錯誤，鑑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。”

另一種工具，被稱作順序單分子熒光原位雜交（sequential single molecule Fluorescence In Situ Hybridization, seqFISH），是由Cai開發的，用於瞭解哪些基因在單個細胞中是有活性的。在最近的一篇發表在Neuron期刊上的論文中，Cai團隊展示了這種技術如何能夠被用來確定200多種基因在單個細胞中的表達水平。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。之前的技術需要這些細胞與它們的自然環境相分離。

在這項新的研究中，研究人員將這兩種工具結合在一起：seqFISH方法被用來追蹤通過CRISPR基因編輯引入到基因組中的變化。

Elowitz説，“關鍵的見解是開發一種特定類型的基因組內存儲存元件，類似於一個計算機比特，而且它能夠通過CRISPR在兩種不同的狀態之間進行翻轉。僅僅利用seqFISH研究這些細胞並且確定它們是否擁有相同的CRISPR編輯位點就可區分它們所處的狀態。”

記錄細胞“交談”

這個系統不僅能夠被用來了解細胞譜系信息，而且也能夠被用來了解這些細胞過去發生的事件---它們何時接收來自彼此的信息或者它們何時從一種細胞類型變成另一種細胞類型。比如，當腫瘤產生時，一些細胞可能接受來自其他細胞的不同分子信號，從而引發截然不同的命運。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。追蹤過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空發育提供一種新的視角。

Linton説，“這種技術有望讓我們獲得細胞內我們之前並不知曉的信息。潛在地，MEMOIR能夠記錄單個細胞內多個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影響細胞作出決策，如神經幹細胞何時分化為神經元。”

在這項新的研究中，研究人員追蹤了小鼠胚胎幹細胞三代的歷史。在未來，他們希望追蹤更多代，從而最終了解動物發育的生命故事，正如它們的細胞回憶錄告訴的那樣。