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每个多细胞生命的诞生之初,都是一个单细胞。这个细胞会一变二,二变四,四变八,***终变成一个天文数字。据估计,新生儿体内约有260亿个细胞,这一数字在成年后还会继续增加。
从1到260亿,生命的发育过程让人叹为观止。这些细胞是怎么形成的?哪些细胞在先?哪些细胞在后?人们顺理成章地提出了疑问。但由于生命体实在过于复杂,我们一直没能找到很好的工具去回答这些问题。
▲这项研究发表于《科学》,并得到了《自然》的专门报道,重磅程度可见一斑(图片来源:《科学》与《自然》官网截图)
但这一切有望成为历史。昨天,《科学》杂志在线发表的一篇论文让我们有望用先进的CRISPR基因编辑技术,去追溯那些瀚若繁星的细胞的发育过程。这项研究的通讯作者是哈佛的大牛George Church教授以及研究员Reza Kalhor博士。
这项研究用到了一种叫做“遗传条形码”的方法。具体来说,科学家们在小鼠的基因组里找到了一些特殊的DNA序列。随后,他们设计了一款CRISPR-Cas9基因编辑系统,能特异性地在这些DNA序列中切开口子。而细胞对这些口子进行修复时,就会留下特殊的印记,就好像条形码一样。
在研究中,科学家们设计了两种不同的小鼠,一种带有前面说到的特殊DNA序列,另一种则表达有Cas9蛋白,它负责对DNA的切割。这两种小鼠杂交后,在归巢向导RNA(homing guide RNA,hgRNA)的作用下,每一个细胞开始生成自己的独特条形码。
▲不同细胞会带有不同的“条形码”(图片来源:《科学》)
“在每一个***产生的细胞里,都有机会出现hgRNA的突变,” Kalhor博士解释道:“每次有新细胞生成时,这些细胞都会获得来自母细胞的突变,并生成属于自己的独有新突变。所以我们可以通过比较不同细胞的序列,了解它们之间的关系。”
研究人员们指出,虽然实验里只分析了小鼠胚胎里的全部细胞,但这些条形码足以涵盖成年小鼠中的100亿个细胞。
“现有的方法只能获得特定时间的‘快照’,因为你必须通过物理手段终止发育过程,了解不同阶段的细胞长成什么样。这就好像是观看电影里的单独几帧那样,” Church教授说道:“这款记录条形码的方法让我们能复原每个成熟细胞的完整发育过程,有点像将完整的电影倒放一样。”
“这个方法能让我们倒推出模式生物***终发育阶段到***初单细胞阶段的整个过程。这是个具有雄心的计划,需要许多实验室共同努力许多年才能实现。但这篇论文让我们朝着目标前进了重要一步。” Church教授补充说。
不少科学家指出,这是发育生物学领域的一个里程碑式突破。也许未来的某一天,我们能够反推出导致癌症的***初细胞,从而带来治疗、甚至治愈癌症的洞见!