科学家开发出新技术来追踪细胞发育过程

血液中的多种不同类型的细胞是如何产生的?长期以来,科学家们一直试图解答这个问题。根据经典理论,处于不同发育阶段的血细胞系像树那样长出分枝。树干是由造血干细胞组成的,而它们的分枝是由多种类型的祖细胞组成的。随后,这些祖细胞进一步长出分枝,产生特化的血细胞,即红细胞、血小板和多种白细胞。然而,近年来,人们对这种经典理论产生质疑。

图片来自CC0 Public Domain。

在一项新的研究中,德国癌症研究中心的Hans-Reimer Rodewald和他的合作者们想要捕捉血细胞形成中的动态事件,而不仅是拍照。通过与干细胞生物学家Thomas Höfer领导的一个团队密切合作,这些研究人员开发出一种新的技术,从而能够让他们准确地追踪细胞的发育过程。为此,他们给造血干细胞标记上一种基因条形码以便随后能够清晰地鉴定出它们的后代细胞。相关研究结果于2017年8月16日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Polylox barcoding reveals haematopoietic stem cell fates realized in vivo”。

Rodewald说,“基因条形码之前已被开发出和使用,但是它们是基于也能够改变细胞性质的方法开展的。我们的条形码是不同的:它们能够组织特异性地和直接在小鼠的基因组中被诱导出的,而且并不会影响这些小鼠的生理发育。”这种新技术是基于所谓的Cre/loxP系统开发出的。Cre/loxP系统被用来重排或移除经过特定标记的DNA片段。

Rodewald团队的Weike Pei和Thorsten Feyerabend培育出在基因组中携带这种基因条形码的小鼠。在选择的不编码基因的位点上,这种基因条形码含有9个来自拟南芥的小DNA片段(也被称作代码元件)。这些片段位于10个被称作IoxP位点的基因切割位点的两侧。通过给予一种药物试剂,与IoxP位点相匹配的分子剪刀Cre能够在这些小鼠的造血干细胞中被激活。随后,这些代码元件被随机地重排或切除。Höfer说,“这种随机的DNA条形码产生器能够产生高达180万个基因条形码,我们能够鉴定出在实验中仅出现一次的代码元件。”

当这些经过特殊标记的造血干细胞发生分裂和成熟时,这些基因条形码也会保存下来。通过与德国德尔布吕克分子医学中心合作,这些研究人员开展综合性的条形码分析以便追踪单个血细胞是由哪个造血干细胞产生的。

这些分析揭示出两个大的发育分枝在小鼠的造血干细胞中开始产生:在一个分枝中,免疫系统的T细胞和B细胞产生;在另一个分枝中,红细胞和多种其他的白细胞如粒细胞和单核细胞会形成。所有这些细胞类型能够由单个造血干细胞产生。Rodewald强调道,“我们的发现证实从多能性造血干细胞开始的层次发育树经典理论对血细胞生成而言是正确的。”

这些研究人员开发出的这种技术也能够被用于除研究血细胞发育之外的其他目的。这种策略基本上能够被应用于任何组织。在未来,它也可能被用来追踪白血病和其他的癌症的起源。

原标题:Nature:利用聚lox条形码技术追踪造血干细胞命运

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