血液中的多種不同類型的細(xì)胞是如何產(chǎn)生的？長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們一直試圖解答這個(gè)問(wèn)題。根據(jù)經(jīng)典理論，處于不同發(fā)育階段的血細(xì)胞系像樹那樣長(zhǎng)出分枝。樹干是由造血干細(xì)胞組成的，而它們的分枝是由多種類型的祖細(xì)胞組成的。隨后，這些祖細(xì)胞進(jìn)一步長(zhǎng)出分枝，產(chǎn)生特化的血細(xì)胞，即紅細(xì)胞、血小板和多種白細(xì)胞。然而，近年來(lái)，人們對(duì)這種經(jīng)典理論產(chǎn)生質(zhì)疑。

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在一項(xiàng)新的研究中，德國(guó)癌癥研究中心的Hans-Reimer Rodewald和他的合作者們想要捕捉血細(xì)胞形成中的動(dòng)態(tài)事件，而不僅是拍照。通過(guò)與干細(xì)胞生物學(xué)家Thomas Höfer領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)密切合作，這些研究人員開發(fā)出一種新的技術(shù)，從而能夠讓他們準(zhǔn)確地追蹤細(xì)胞的發(fā)育過(guò)程。為此，他們給造血干細(xì)胞標(biāo)記上一種基因條形碼以便隨后能夠清晰地鑒定出它們的后代細(xì)胞。相關(guān)研究結(jié)果于2017年8月16日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Polylox barcoding reveals haematopoietic stem cell fates realized in vivo”。

Rodewald說(shuō)，“基因條形碼之前已被開發(fā)出和使用，但是它們是基于也能夠改變細(xì)胞性質(zhì)的方法開展的。我們的條形碼是不同的：它們能夠組織特異性地和直接在小鼠的基因組中被誘導(dǎo)出的，而且并不會(huì)影響這些小鼠的生理發(fā)育。”這種新技術(shù)是基于所謂的Cre/loxP系統(tǒng)開發(fā)出的。Cre/loxP系統(tǒng)被用來(lái)重排或移除經(jīng)過(guò)特定標(biāo)記的DNA片段。

Rodewald團(tuán)隊(duì)的Weike Pei和Thorsten Feyerabend培育出在基因組中攜帶這種基因條形碼的小鼠。在選擇的不編碼基因的位點(diǎn)上，這種基因條形碼含有9個(gè)來(lái)自擬南芥的小DNA片段（也被稱作代碼元件）。這些片段位于10個(gè)被稱作IoxP位點(diǎn)的基因切割位點(diǎn)的兩側(cè)。通過(guò)給予一種藥物試劑，與IoxP位點(diǎn)相匹配的分子剪刀Cre能夠在這些小鼠的造血干細(xì)胞中被激活。隨后，這些代碼元件被隨機(jī)地重排或切除。Höfer說(shuō)，“這種隨機(jī)的DNA條形碼產(chǎn)生器能夠產(chǎn)生高達(dá)180萬(wàn)個(gè)基因條形碼，我們能夠鑒定出在實(shí)驗(yàn)中僅出現(xiàn)一次的代碼元件。”

當(dāng)這些經(jīng)過(guò)特殊標(biāo)記的造血干細(xì)胞發(fā)生分裂和成熟時(shí)，這些基因條形碼也會(huì)保存下來(lái)。通過(guò)與德國(guó)德爾布呂克分子醫(yī)學(xué)中心合作，這些研究人員開展綜合性的條形碼分析以便追蹤單個(gè)血細(xì)胞是由哪個(gè)造血干細(xì)胞產(chǎn)生的。

這些分析揭示出兩個(gè)大的發(fā)育分枝在小鼠的造血干細(xì)胞中開始產(chǎn)生：在一個(gè)分枝中，免疫系統(tǒng)的T細(xì)胞和B細(xì)胞產(chǎn)生；在另一個(gè)分枝中，紅細(xì)胞和多種其他的白細(xì)胞如粒細(xì)胞和單核細(xì)胞會(huì)形成。所有這些細(xì)胞類型能夠由單個(gè)造血干細(xì)胞產(chǎn)生。Rodewald強(qiáng)調(diào)道，“我們的發(fā)現(xiàn)證實(shí)從多能性造血干細(xì)胞開始的層次發(fā)育樹經(jīng)典理論對(duì)血細(xì)胞生成而言是正確的。”

這些研究人員開發(fā)出的這種技術(shù)也能夠被用于除研究血細(xì)胞發(fā)育之外的其他目的。這種策略基本上能夠被應(yīng)用于任何組織。在未來(lái)，它也可能被用來(lái)追蹤白血病和其他的癌癥的起源。

原標(biāo)題：Nature：利用聚lox條形碼技術(shù)追蹤造血干細(xì)胞命運(yùn)