“DNA打字機”能記錄細胞的歷史

參考消息網11月29日報道 據美國《紐約時報》網站11月25日報道，受精卵在受孕後不久就會分裂，變成兩個。然後，每個細胞又分裂，變成四個，如此這般一直分裂下去。隨着時間推移，這一代代細胞逐漸分化，產生人體所有不同的器官和組織，總共包含36萬億個細胞。

科學家很想了解這些細胞在時間維度上的軌跡。瑞士巴塞爾大學的亞歷克斯·席爾說：“這是100多年來像我這樣的發育生物學者夢寐以求的事情。”但他們所能做到的不過是拍攝不同階段細胞的快照。

由於缺乏完整的歷史記錄，科學家對於細胞究竟如何產生我們的器官，或者在生命的隨後階段它們如何讓傷口癒合，還有很多東西需要學習。蘇黎世聯邦理工學院的計算生物學家塔尼婭·施塔德勒說：“我們真的只是一知半解。”

正如施塔德勒及其同事25日在《自然綜述：遺傳學》雜誌上描述的那樣，他們的實驗室和世界各地的其他實驗室正試圖把細胞變成它們自己的歷史學家。研究人員改造的細胞可以在脫氧核糖核酸（DNA）中插入獨特的小塊遺傳物質。當細胞分裂時，這些基因位就會變成獨特的條形碼。

這項技術還能讓細胞在經歷顯著事件時創建基因記錄。這些事件包括接收其他細胞發出的信號或製造某種特殊蛋白質。

席爾猜想，有朝一日，醫生甚至可能將“崗哨細胞”注入我們體內，追蹤不斷變化的健康狀況。他說：“我現在感覺有點不舒服——我3個月前是否有過感染？7個月前是否有過汞中毒？”答案可以在這種崗哨細胞記錄的細胞歷史中找到。

華盛頓大學生物學家、DNA測序先驅傑伊·申杜雷說：“我把所有籌碼都壓在了這些技術上。對於如何隨着時間來測量來說，這是一種全新的範式。”

申杜雷是最早設想這種能記錄歷史的細胞的科學家之一。2000年，還是研究生的他花了6個月的時間嘗試構建一種可以定期改變自身一小部分DNA的細胞。他在失敗之後放棄了這個項目。

在接下來的十年裡，研究人員發明了一種強大的DNA編輯新工具，名爲規律成簇間隔短迴文重複系統（CRISPR）。這項技術可以鎖定細胞基因組中的一處位置，然後剪切或插入新的DNA。

申杜雷及其同事們開始利用CRISPR來記錄細胞的歷史。他們改造了斑馬魚的細胞。這個物種很容易研究，因爲它的胚胎是透明的。研究人員改造了斑馬魚，這樣他們就能在其基因組中的十幾處位置剪切或添加DNA。

然後，研究人員用這些細胞培育出魚胚胎。每隔一段時間，一個細胞就會隨機改變其中一處位置。當它分裂時，它的後代細胞就會繼承這些遺傳變化。

當魚成年後，科學家對它們的DNA進行測序。被改變的DNA位點就像條形碼一樣，幾乎相同的條形碼錶明相關細胞關係密切。

申杜雷及其同事追溯了這些細胞之間的遺傳關係。例如，血細胞中的條形碼顯示，一條魚幾乎所有的血液都來自五個祖細胞。

申杜雷及其同事在2016年發表這些成果後意識到，並非只有他們有這種深刻見解。他說：“原來大約有10個人有同樣的想法。”

現在，研究人員正在共同努力，創造新一代的細胞記錄器。

例如，加州理工學院的邁克爾·埃洛維茨及其同事開發出一種記錄儀，讓科學家不需要破壞細胞就能讀取其歷史。他們可以把化學物質澆在細胞上，如果細胞帶有特定的條形碼，化學物質就會使細胞發光。

埃洛維茨和其他研究人員也在發明讓細胞記錄特定事件的方法。例如，免疫細胞或許可以記錄對病毒的感知，皮膚細胞也可以記錄受陽光刺激產生色素的時間。

最近，申杜雷及其同事們通過創造一種“DNA打字機”擴大了細胞記錄器的功能。細胞在DNA上添加標記後，可以直接在舊標記旁邊添加新標記，就像打字機上的按鍵一樣。科學家已經創造出幾十個不同的按鍵，它們可以記錄細胞的分裂歷史和許多經歷。

到目前爲止，研究人員只在培養皿中的小鼠細胞羣中測試了這種DNA打字機。但他們正試圖製造一種“記錄小鼠”，在這種動物的100億個細胞中，每個細胞都攜帶着它們自受精以來全部經歷的記錄。

席爾希望科學家能夠利用這種小鼠發現一些發育的規律。（編譯/卿松竹）