DNA Typewriter重建小鼠胚胎的细胞家谱

发育的生物学记录

研究人员通过将发育中小鼠胚胎自身的DNA转化为历史记录，重建了其中细胞的家谱。这项工作使用了一种名为DNA Typewriter的追踪技术。在细胞分裂并在发育过程中获得特化功能时，该技术会持续存在于细胞中。

这份记录始于受精卵分裂成两个细胞，并持续覆盖13.5天的发育过程。到这一阶段，小鼠的身体和器官已经成形。小鼠的完整妊娠期约为19至21天，因此这项实验处于胚胎发育的形成阶段。

这项发表于Science的研究，回应了发育生物学中的一个核心问题：细胞早期的祖先关系如何与其后来承担的功能相关。每个器官和组织都始于具有共同起源的细胞，但这些细胞会逐步分裂、迁移并特化。如何大规模重建这些关系，一直是长期存在的技术挑战。

DNA Typewriter如何工作

研究团队将重新设计的记录“磁带”植入受精小鼠卵子的基因组。随着胚胎发育，该系统会将信息保存在后代细胞的遗传物质中。研究人员提供的比喻是：这是一台在细胞自身DNA上书写、而不是在纸上书写的打字机。

由于记录器留在每个细胞的遗传物质中，研究人员之后可以从单个细胞读取记录。这样，即使发育已经远远超出最初的细胞分裂阶段，也能够推断细胞之间的关系。

该方法的最新版本旨在让研究人员更容易从单个细胞中恢复记录。这一实际改进十分重要：只有当研究人员能够可靠地读取足够多的存储历史，并比较胚胎中的细胞时，谱系记录系统才真正有用。

在这项研究中，研究人员追踪了从受精卵第一次分裂到胚胎体型结构和器官形成的细胞发育历史。因此，这项工作将非常早期的胚胎事件与发育后期才显现的结果联系起来。

细胞谱系图为何重要

细胞谱系不仅仅是一项家谱研究。它提供了一种方法，用于探究早期祖先差异是否与细胞后来的命运相关。发育结果可能不仅取决于细胞在特定时刻接收到的信号，也取决于该细胞在更长分裂链条中的位置。

该研究共同高级作者、华盛顿大学医学院的Jay Shendure博士表示，研究人员关注的是细胞早期祖先关系如何影响其后来的命运。他将谱系研究描述为解码正常发育的一条途径。

这项工作的潜在意义超越了基础胚胎学。研究人员表示，更好地理解发育谱系，最终可能推动人们对先天畸形、神经发育障碍、遗传疾病和癌症的认识。不过，这项研究本身是小鼠胚胎实验，因此这些可能的应用仍属于未来研究方向，而不是已经得到证明的临床用途。

尽管如此，其基本前提仍然意义重大。如果科学家能够将成熟细胞类型与其详细的祖先记录联系起来，就可能更好地确定发育路径何时发生分化，以及哪些早期事件与后来的异常有关。

研究发育的平台

DNA Typewriter由Shendure和Junhong Choi发明，后者目前任职于Sloan Kettering Cancer Center。这项工作涉及重新设计的基因组“磁带”，并由Shendure与达特茅斯学院分子与系统生物学家Chengxiang Qiu共同领导。

它的关键成就并不只是在人生某一时刻标记细胞，而是在细胞增殖和分化过程中保留历史记录。这一区别可能使该方法适用于那些需要理解发展顺序和细胞关系，而不只是列出过程结束时存在的细胞类型的实验。

这项实验中的胚胎是一个要求很高的测试对象。发育会从单个受精卵产生大量且多样的后代细胞，而建立这些关系的早期分裂与器官和组织随后出现之间相隔数天。重建出的细胞家谱跨越了这一时间间隔。

目前，这些发现仍是小鼠模型中的一项研究进展。但这项研究更清楚地证明，DNA可以作为一种持久的、逐细胞记录发育历史的介质。这种能力可能帮助研究人员更精确地探究生命系统如何从单个细胞构建自身。

本文根据Phys.org的报道编写。阅读原文。