谱系示踪技术

2023年3月18日，《Cell Stem Cell》期刊以封面文章的形式在线发表了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、神经科学国家重点实验室陈跃军研究组题为《人神经分化过程中跨时间段的克隆谱系追踪》的研究论文，该研究通过建立能够跨分化阶段高通量谱系示踪新技术-SISBAR，解析了人多能干细胞分化为人腹侧中后脑神经细胞的单细胞谱系，发现了许多新的谱系分化路径和分子调控机制，研究进一步展示了基于SISBAR技术的新发现在改进帕金森症细胞治疗策略中的应用。SISBAR技术有望为干细胞研究带来新的突破。发育与干细胞生物学中的一个基础性问题是如何解析生物体内不同细胞类型之间的发育谱系关系。解析这些谱系关系能够更加深入地解析生命体的正常发育过程以及病理状态（包括癌症与发育障碍）下的分子机制，为操纵在体细胞分化命运，优化体外细胞分化方法，以及促进基于细胞替代疗法的再生医学的发展提供线索。然而，经典的正向谱系追踪和逆向谱系追踪方法，主要用于解析同一个分化/发育时间点不同细胞类型之间的谱系关系，而不能同时提供在上一个阶段与它们有亲缘关系的前体细胞的身份特征。如何持续地追踪细胞在多个分化/发育时间点的细胞状态，从而描绘更完整的细胞发育路径，是发育学领域中亟待解决的问题。针对以上问题，团队成员通过结合病毒介导的细胞条形码标记技术、单细胞测序技术，以及克隆分离策略，开发了SISBAR技术，并应用在基于人多能干细胞的神经分化模型中。SISBAR技术可以跨分化阶段追踪单个前体细胞衍生的谱系克隆，同时获取该前体细胞的单细胞转录组信息（图A）。研究团队一直致力于人多能干细胞神经分化技术的开发和神经系统疾病的细胞治疗研究，建立了将人多能干细胞分化为人腹侧中脑和后脑细胞的方法，其中包含能够用于帕金森症细胞替代疗法的关键细胞类型–中脑多巴胺能神经元（2016 Cell Stem Cell； 2021 Cell Stem Cell； 2022 JCI）。团队成员把SISBAR技术应用于人腹侧中后脑的体外分化体系，并建立了“潜能视角”和“起源视角”的谱系分析方法来分别解析由转录组定义的不同细胞类型的分化潜能及分化起源，从而构建了一个多层级的谱系树来描绘整个分化过程（图B）。这一多层级谱系树揭示了中后脑细胞分化过程中许多之前未被报道过的发散型和汇聚型跨阶段谱系分化路径。团队的研究还揭示了跨分化阶段的群体水平谱系和克隆水平谱系之间的关系：在发散型谱系关系中，发现同种类型的前体细胞（单细胞转录组定义的细胞簇）中单个前体细胞的命运可以不同；不同前体细胞差异的分化命运的集合代表了该前体细胞类型在群体水平的分化命运。在汇聚型谱系关系中，发现同种类型子代细胞中的单个细胞可以有不同的谱系起源，并且这些不同来源的子代细胞会带有其亲代细胞独特的基因印迹（图C-D）。研究团队进一步展示了基于SISBAR技术的跨分化阶段谱系关系和相关分子调控机制的解析在神经系统疾病细胞治疗中的应用。利用SISBAR技术，研究团队发现中脑多巴胺能神经前体细胞具有至少三种命运分化潜能，包括中脑多巴胺能神经元、中脑谷氨酸能神经元、血管软脑膜样细胞（VLMCs）。研究团队还鉴定了早期中脑多巴胺能神经前体细胞的特异性表面分子标记物APCDD1（图E）。将表达APCDD1的神经前体细胞进行流式分选并移植到帕金森病模型小鼠的纹状体后，移植物中目的细胞-中脑多巴胺能神经元的比例得到了显著提高（图F）。并且，与通过SISBAR技术发现的中脑多巴胺能神经前体细胞多分化潜能的结果一致。研究团队在APCDD1分选的移植物中检测到了中脑谷氨酸能神经元和一种血管软脑膜样细胞的存在，这一结果展示了SISBAR技术在改进细胞治疗策略和预测移植细胞体内分化命运中的应用。基于人多能干细胞的细胞替代疗法在治疗许多用传统药物难以治愈的疾病（如帕金森症）方面具有广阔的应用前景。然而，人多能干细胞分化得到的供体细胞（细胞药物）存在显著的异质性，这将导致供体细胞和移植物中目的细胞的低比例和细胞组成的不稳定性，阻碍了细胞替代疗法在临床上更广泛地应用。可以预见的是，作为一种通用型技术，SISBAR能够广泛地应用于包括神经分化在内的基于人多能干细胞的体外分化系统中，构建整个分化过程的谱系发育树，解析谱系分化的分子调控机制，使我们更好地理解目的细胞和非目的细胞在分化过程中产生的机制，从而改进细胞治疗策略，获得更安全稳定的细胞治疗结果。同时，SISBAR还为我们解析细胞分化/发育过程中的谱系关系提供了新的方法和视角，是经典谱系追踪方法的重要补充。本研究中群体水平谱系和克隆水平谱系关系的解析，为我们理解细胞分化分过程中复杂而精确的细胞命运决定事件提供了重要的理论基础。该研究由中科院脑智卓越中心博士研究生游致文与中科院营养健康所王露悦博士，在脑智卓越中心陈跃军研究员和临港实验室魏武研究员的指导下完成，中科院脑智卓越中心何慧博士、吴子彦博士、章馨月、薛帅翔、许培博博士，职工张晓、刘兵，中科院营养与健康所洪延泓，复旦大学脑科学研究院熊曼研究员，复旦大学附属肿瘤医院胡欣研究员为本研究提供了重要帮助。本研究得到了中科院、科技部、基金委和上海市科委的资助。

4月8日，国际学术期刊Circulation Research(《循环研究》)在线发表了中国科学院上海生命科学研究院营养科学研究所周斌研究组的最新研究成果“Endocardium minimally contributes to coronary endothelium in the embryonic ventricular free walls”。该研究利用遗传谱系示踪技术发现胚胎期心脏壁上的冠状血管起源于静脉窦而非心室心内膜，从而揭示了心血管研究领域内长期存在的争论性问题，为研究冠状血管的发生发育与再生治疗提供了理论基础。　　心血管领域关于胚胎期冠状血管的起源一直存在争论，静脉窦和心室心内膜是最主要也是最具争议的两个起源。周斌组通过利用传统的心内膜标记基因Nfatc1构建了Nfatc1-Cre等工具小鼠，并对心室心内膜进行了谱系示踪实验。研究发现，虽然Nfatc1-Cre可以标记上大量冠状血管，但Nfatc1基因并不仅仅表达在心室心内膜，还表达在胚胎早期的静脉窦内皮细胞中。由此，研究人员对冠状血管的心室心内膜起源提出了质疑。　　为了对心室心内膜实现特异性标记，周斌组等研究人员利用单细胞实时定量PCR、原位杂交实验等技术，发现并鉴定了特异性表达在心室心内膜的基因Npr3。通过构建Npr3-CreER等工具小鼠，对心室心内膜开展谱系示踪实验发现，心室心内膜很少贡献到胚胎期冠状血管。通过多种工具小鼠实验，进一步证实静脉窦内皮细胞很可能是胚胎期冠状血管的主要来源。　　心内膜细胞和冠状血管内皮细胞虽都是内皮细胞，但两者的基因表达存在很大差异。在该课题中，研究人员还利用多种工具小鼠，分离出了胚胎期心内膜细胞和冠状血管内皮细胞，通过RNA-sequencing实验发现并鉴定出了一系列特异性表达在心内膜细胞或冠状血管内皮细胞上的基因，这对心血管领域内的后续研究具有重要意义。　　该课题由张辉在研究员周斌的指导下完成，并得到了合作者斯坦福大学教授Sean M. Wu和南加州大学教授Henry M. Sucov的帮助。该工作得到了中科院、国家科技部、基金委、中组部、上海市科委等经费支持。 文章链接心内膜来源的细胞（红色）很少形成胚胎期心脏壁的冠状血管（绿色）。蓝色为细胞核。

对单独的有机个体来说，如果每个细胞都有属于自己的传记信息和所在的位置，那么，研究人员就能从中学到许多关于发育、衰老和疾病的知识。坏消息是，侵入性的细胞评估技术会令追踪组织或有机体发育的家谱仅限于一小群细胞，或者结果扭曲的让人不敢确信。好消息是，一项新技术已经开发出来了，它承诺可以将细胞的详细分子读数（例如转录指纹）与细胞的祖先信息结合起来。这项技术被称为CRISPR列阵修复血统追踪（CRISPR Array Repair Lineage tracing，CARLIN），由波士顿儿童医院干细胞研究项目和Dana Farber癌症研究所/哈佛医学院的科学家开发，可追踪体内每一个细胞，从胚胎期到成年期。有关这项技术的详细信息发表在《Cell》杂志，题目为“An Engineered CRISPR-Cas9 Mouse Line for Simultaneous Readout of Lineage Histories and Gene Expression Profiles in Single Cells”，结合“条形码”和CRISPR基因编辑技术，CARLIN可识别不同的细胞类型，以及每种类型的基因是什么。文章的作者写道：“利用CRISPR技术，在发育期或成年期的任何时候以可诱导的方式生成多达44000个转录条形码，与顺序排列的条形码兼容，并且完全由基因决定。我们利用CARLIN确定了胎儿肝造血干细胞（HSC）克隆的内在活性偏差，并揭示了HSCs在损伤反应中一个以前未被重视的克隆瓶颈。”几十年来，发育生物学家做梦都想创造一种重建每一个细胞谱系的方法，“一个细胞一个细胞地，随着胚胎的发育，或者组织的建立，”Fernando Camargo博士说。他是干细胞研究项目的高级研究员，与哈佛医学院系统生物学助理教授Sahand Hormoz博士是本文的共同通讯作者。“我们可以用这个小鼠模型来跟踪它的整个开发过程。”Camargo、Hormoz和他们各自实验室的共同第一作者Sarah Bowling博士和Duluxan Sritharan使用CARLIN方法创建了一个小鼠模型。该模型可以揭示细胞谱系，即父细胞创建不同类型子细胞的“家族树”，以及随着时间的推移，每个细胞中的哪些基因被打开或被关闭。此前，科学家们只能用染料或荧光标记在小鼠身上追踪一小群细胞。也有使用标记或条形码的方法，但以前的方法需要已知标记以分离不同的细胞类型，或者需要耗时的细胞提取和操作，这可能会影响细胞的特性。CRISPR的出现使研究人员能够在不干扰细胞的情况下对细胞进行条码识别，同时跟踪数千个细胞的血统。使用一种可诱导的CRISPR，研究人员能够在小鼠一生中的任何时间点创建多达44000个不同的识别条码。然后，使用另一种名为单细胞RNA测序的技术读取条形码，从而收集每个条形码细胞中开启的数千个基因的信息。这反过来又提供了有关细胞身份和功能的信息。作为一个测试案例，研究人员利用这个新方法揭示了胚胎发育过程中血液发育的未知细节，并观察了成年小鼠化疗后的血液补充动态。研究人员相信，CARLIN也可以用来了解疾病和衰老期间细胞谱系树的变化。此外，该系统还可用于记录对环境刺激的反应，如病原体暴露和营养素摄入。Camargo说：“绘制哺乳动物组织的单细胞谱系图是一项前所未有的壮举！除了在研究发育生物学方面的许多应用外，我们的模型还将提供有关生物对损伤和疾病作出反应时所受影响的细胞类型和层次结构的重要见解。”