大脑是如何发育的表明大脑是如何发育的

了解各种细胞类型在发育过程中如何分化是发育生物学的基本问题之一。利用基因组编辑工具,哈佛大学的科学家们离找到答案越来越近了。

最近的一项研究由亚历山大•Schier学部的分子和细胞生物学和狮子座埃里克森分子和细胞生物学、生命科学教授詹姆斯•盖格农Schier的实验室,博士后,亚伦。麦凯纳和格雷格·芬德利博士学位学生在实验室里杰Shendure华盛顿大学,开发了一个系统,使用CRISPR基因组编辑工具用遗传条形码标记斑马鱼细胞,之后可以用来重建它们的谱系。这项研究发表在今年早些时候的《科学》杂志上。

Schier说:“我们想了解细胞在发育过程中是如何沿着不同的路径发展的,最终形成特定的细胞类型。”“有了这个新工具,我们可以提取成年脑细胞……看看这些细胞是如何相互关联的,一直追溯到胚胎时期。”

他解释说:“在这个系统中,CRISPR以10个短序列为目标,随机剪切它们,在细胞修复剪切时诱导删除或插入。”“然后我们可以对这些区域进行排序,并了解细胞之间的关系。”

例如,Schier说,单个细胞可能在某个位置有一个序列被切割,但是当它分裂时,它的子细胞和孙女细胞可能在其他位置被切割。通过追踪这些变化是如何累积的,研究人员最终能够确定细胞之间是如何相互关联的。细胞间的联系越紧密,其突变的条形码就越相似。

虽然标记细胞以跟踪其发育的想法并不新鲜,但这项新技术提供了更多的通用性和特异性。

Schier说:“一种主要的方法是用荧光蛋白标记细胞,然后跟踪颜色的遗传。”“例如,我们可以推断出紫色的细胞可能来自一个共同的紫色祖细胞。”

Schier说,问题是即使是最先进的系统也被限制在只有100种不同的颜色。

“这种方法的强大之处在于,你基本上可以得到成千上万种颜色,”Schier说。“在这篇论文中,我们展示了我们可以产生4000个独特的条形码,我们可以追踪这些条形码来了解细胞之间的关系。”

Schier说,这项技术已经为研究人员的研究提供了新的视角。

“我们发现了一些诱人的线索,”他说。“例如,我们发现一条鱼98%以上的血液来自于5个祖细胞,而另一条鱼只有2个祖细胞。这就提出了一些有趣的组织动力学问题,我们真的很想了解——相对较少的祖细胞如何产生大量的血细胞或脑细胞。”

Schier的实验室并不是唯一一个探索利用CRISPR来了解细胞如何发育的可能性的实验室。哈佛医学院(Harvard Medical School, HMS)遗传学教授乔治•丘奇(George Church)实验室的研究人员开发了一个类似的系统,其中指导CRISPR切割位置的RNA序列也是目标。

最终的结果是,一个以特定基因序列为目标的系统将其切割,但当这个切割被修复后,它会产生一个新的指导RNA,告诉系统下一步该切割哪里,并产生足够的多样性,让研究人员能够追踪细胞的谱系。这项研究已经发布在预印服务器BioRxiv上。

丘奇说,下一步不仅要研究细胞如何发育成成年,还要研究细胞在发育过程中如何以及何时改变它们的特性。

“我们想知道谁生了谁,”他说,“还想知道细胞在想什么,在做什么。”我们可以在发育的任何阶段停止旋转木马,捕捉它们的谱系和细胞活动的快照。”

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