每個(gè)多細(xì)胞生命的誕生之初，都是一個(gè)單細(xì)胞。這個(gè)細(xì)胞會一變二，二變四，四變八，最終變成一個(gè)天文數(shù)字。據(jù)估計(jì)，新生兒體內(nèi)約有260億個(gè)細(xì)胞，這一數(shù)字在成年后還會繼續(xù)增加。

從1到260億，生命的發(fā)育過程讓人嘆為觀止。這些細(xì)胞是怎么形成的？哪些細(xì)胞在先？哪些細(xì)胞在后？人們順理成章地提出了疑問。但由于生命體實(shí)在過于復(fù)雜，我們一直沒能找到很好的工具去回答這些問題。

▲這項(xiàng)研究發(fā)表于《科學(xué)》，并得到了《自然》的專門報(bào)道，重磅程度可見一斑（圖片來源：《科學(xué)》與《自然》官網(wǎng)截圖）

但這一切有望成為歷史。10日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表的一篇論文讓我們有望用先進(jìn)的CRISPR基因編輯技術(shù)，去追溯那些瀚若繁星的細(xì)胞的發(fā)育過程。這項(xiàng)研究的通訊作者是哈佛的大牛George Church教授以及研究員Reza Kalhor博士。

這項(xiàng)研究用到了一種叫做“遺傳條形碼”的方法。具體來說，科學(xué)家們在小鼠的基因組里找到了一些特殊的DNA序列。隨后，他們設(shè)計(jì)了一款CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)，能特異性地在這些DNA序列中切開口子。而細(xì)胞對這些口子進(jìn)行修復(fù)時(shí)，就會留下特殊的印記，就好像條形碼一樣。

在研究中，科學(xué)家們設(shè)計(jì)了兩種不同的小鼠，一種帶有前面說到的特殊DNA序列，另一種則表達(dá)有Cas9蛋白，它負(fù)責(zé)對DNA的切割。這兩種小鼠雜交后，在歸巢向?qū)NA（homing guide RNA，hgRNA）的作用下，每一個(gè)細(xì)胞開始生成自己的獨(dú)特條形碼。

▲不同細(xì)胞會帶有不同的“條形碼”（圖片來源：《科學(xué)》）

“在每一個(gè)分裂產(chǎn)生的細(xì)胞里，都有機(jī)會出現(xiàn)hgRNA的突變，” Kalhor博士解釋道：“每次有新細(xì)胞生成時(shí)，這些細(xì)胞都會獲得來自母細(xì)胞的突變，并生成屬于自己的獨(dú)有新突變。所以我們可以通過比較不同細(xì)胞的序列，了解它們之間的關(guān)系。”

研究人員們指出，雖然實(shí)驗(yàn)里只分析了小鼠胚胎里的全部細(xì)胞，但這些條形碼足以涵蓋成年小鼠中的100億個(gè)細(xì)胞。

“現(xiàn)有的方法只能獲得特定時(shí)間的‘快照’，因?yàn)槟惚仨毻ㄟ^物理手段終止發(fā)育過程，了解不同階段的細(xì)胞長成什么樣。這就好像是觀看電影里的單獨(dú)幾幀那樣，” Church教授說道：“這款記錄條形碼的方法讓我們能復(fù)原每個(gè)成熟細(xì)胞的完整發(fā)育過程，有點(diǎn)像將完整的電影倒放一樣。”

“這個(gè)方法能讓我們倒推出模式生物最終發(fā)育階段到最初單細(xì)胞階段的整個(gè)過程。這是個(gè)具有雄心的計(jì)劃，需要許多實(shí)驗(yàn)室共同努力許多年才能實(shí)現(xiàn)。但這篇論文讓我們朝著目標(biāo)前進(jìn)了重要一步。” Church教授補(bǔ)充說。

不少科學(xué)家指出，這是發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑式突破。也許未來的某一天，我們能夠反推出導(dǎo)致癌癥的最初細(xì)胞，從而帶來治療、甚至治愈癌癥的洞見！

本文題圖來自：Pixabay

參考資料：

[1] R. Kalhor et al., (2018) Developmental barcoding of whole mouse via homing CRISPR, Science, DOI: 10.1126/science.aat9804

[2] CRISPR ‘barcodes’ map mammalian development in exquisite detail, Retrieved August 10, 2018, from https://www.nature.com/articles/d41586-018-05934-z

[3] Recording every cell's history in real-time with evolving genetic barcodes, Retrieved August 10, 2018, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-08/wifb-rec080818.php