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活细胞记录器在细胞谱系追踪中的应用和前景
姜百翼, 钱珑
合成生物学    2025, 6 (3): 651-668.   DOI:10.12211/2096-8280.2024-082
摘要   (162 HTML4 PDF(pc) (2295KB)(85)  

基于DNA的活细胞分子记录器技术,通过诱导可遗传的DNA变异,为细胞历史的追溯提供了一种创新手段。作为新一代细胞谱系追踪方法的代表,该技术能够与单细胞测序、多组学测序等技术相集成,帮助科研人员重构细胞发育分化路径及肿瘤起源的谱系发生树,是探究这些核心生物学议题的有效平台。本综述系统性回顾了自2016年以来基于Cas9的分子记录器在谱系追踪领域的技术演变轨迹与应用进展,同时综合分析了一些新型分子记录器的研究动态,并对其优势与局限性进行了评估。自2016年以来,以CRISPR-Cas9系统为核心的分子记录器取得了显著进展,并逐渐成为该领域的主流技术,研究人员在优化编辑效率和增加记录位点等方面进行了充分的探索。尽管如此,以Cas9为基础的分子记录器仍面临CRISPR-Cas9系统固有的限制与挑战,例如DNA双链断裂带来碱基缺失,进而引起记录信息丢失。这促使研究者们探索开发新型分子记录器,以期作为谱系追踪的更高效精准的工具。先导编辑器、DNA结合蛋白融合碱基编辑器以及T7转录聚合酶融合碱基编辑器等基于新原理的分子记录器能够避免DNA双链断裂,以碱基替换而非碱基缺失的形式写入信息。相较于Cas9系统,它们展现出独特优势,同时也伴随着潜在的风险与挑战。先导编辑器可以以时间顺序的方式记录信息,但脱靶效应仍然是一个问题。DNA结合蛋白融合碱基编辑器提高了编辑效率和特异性,但它们在不同细胞类型中的有效性需要进一步探索。T7 RNA聚合酶融合碱基编辑器已经在体内定向进化系统中取得了成功,但它们目前在哺乳动物系统中的应用仍然有限。未来,基于DNA的分子记录器的研究应着重于优化编辑效率、降低信息丢失率、提高谱系恢复效率,并探索其在复杂生物系统中的应用潜力。



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图1 理想的分子记录器42-44和Cas9分子记录器的代表性研究41-4245-49
[Rosa26 Col1a1:基因组上landing pad位点,用于外源基因的定点整合。R26, pU6, CAG, EF1A:组成型启动子。TetO:诱导型启动子,由rtTA激活。M2-rtTA:诱导系统,由诱导剂doxycycline(dox) 激活]
正文中引用本图/表的段落
基于上述基本原理,一个理想的、适合于细胞谱系追踪的分子记录器,理论上应该具有如下特点[42-44](图1):第一,分子记录器应该无明显细胞毒性,并且具有简洁性,不应占用太多细胞资源,对细胞的基因表达和调控程序以及细胞生理状态无影响。同时,分子记录器应该无脱靶效应,不应对其他区域的DNA进行突变。第二,分子记录器应该具有合适的、可调的记录效率,因为过高的突变率会导致编辑序列的突变饱和,过低的突变率会导致具有区分度的突变过少,这两种情况都会导致条形码同质性(barcode homoplasy),无法有效地构建谱系发生树。因此,对于不同的应用问题,其记录速率应该符合细胞分裂的时间尺度。第三,分子记录器应该具有长时间稳定性,其突变活性应该能够维持数周甚至数月的时间,能够在足够多的细胞分裂代数内保持稳定。第四,分子记录器应该具有足够的记录空间,其靶向区域应该允许足够多的突变产生并被记录,因为过短的靶向区域会也导致条形码同质性,缩短分子记录器的使用寿命。
2016年,CRISPR-Cas9系统被引入细胞谱系追踪领域,推动了这一领域的迅速发展。本节中,我们将对近年来的代表性研究进行系统性的介绍(图1、表1),重点关注Cas9分子记录器的技术发展和遇到的问题,同时,也对每项研究的体系和结论进行简单的介绍。
先导编辑(prime editing)是一种新型基因组编辑技术,通过替换目标DNA中的特定序列,实现精准的基因修改.其基本原理是利用融合了反转录酶的nCas9(nicking Cas9,在靶位点引起单链DNA切口的Cas9变体蛋白),结合特定的先导编辑引导RNA(prime editing guide RNA, pegRNA),在指定位置诱导单链断裂.pegRNA不仅包含用于反转录的编辑序列,还包括结合序列,从而实现精准的DNA替换、插入和删除,无需引入双链断裂或供体DNA模板.这种机制确保了高效的基因组编辑,克服了传统基因编辑中常见的旁观者编辑和脱靶效应等问题,同时最大限度地减少了不必要的基因组干扰[72-74]. ...
A mouse model with high clonal barcode diversity for joint lineage, transcriptomic, and epigenomic profiling in single cells
12
2023
... 基于上述基本原理,一个理想的、适合于细胞谱系追踪的分子记录器,理论上应该具有如下特点[42-44](图1):第一,分子记录器应该无明显细胞毒性,并且具有简洁性,不应占用太多细胞资源,对细胞的基因表达和调控程序以及细胞生理状态无影响.同时,分子记录器应该无脱靶效应,不应对其他区域的DNA进行突变.第二,分子记录器应该具有合适的、可调的记录效率,因为过高的突变率会导致编辑序列的突变饱和,过低的突变率会导致具有区分度的突变过少,这两种情况都会导致条形码同质性(barcode homoplasy),无法有效地构建谱系发生树.因此,对于不同的应用问题,其记录速率应该符合细胞分裂的时间尺度.第三,分子记录器应该具有长时间稳定性,其突变活性应该能够维持数周甚至数月的时间,能够在足够多的细胞分裂代数内保持稳定.第四,分子记录器应该具有足够的记录空间,其靶向区域应该允许足够多的突变产生并被记录,因为过短的靶向区域会也导致条形码同质性,缩短分子记录器的使用寿命. ...

[Rosa26, Col1a1: landing pad sites on genome, for site-specific integration of exogenous genes. R26, pU6, CAG, EFIA: constitutive promoters. TetO: inducible promoter, activated by rtTA. M2-rtTA: inducible system, activated by doxycycline(dox) inducer] ...
Simultaneous lineage tracing and cell-type identification using CRISPR-Cas9-induced genetic scars
6
2018
... 基于上述基本原理,一个理想的、适合于细胞谱系追踪的分子记录器,理论上应该具有如下特点[42-44](图1):第一,分子记录器应该无明显细胞毒性,并且具有简洁性,不应占用太多细胞资源,对细胞的基因表达和调控程序以及细胞生理状态无影响.同时,分子记录器应该无脱靶效应,不应对其他区域的DNA进行突变.第二,分子记录器应该具有合适的、可调的记录效率,因为过高的突变率会导致编辑序列的突变饱和,过低的突变率会导致具有区分度的突变过少,这两种情况都会导致条形码同质性(barcode homoplasy),无法有效地构建谱系发生树.因此,对于不同的应用问题,其记录速率应该符合细胞分裂的时间尺度.第三,分子记录器应该具有长时间稳定性,其突变活性应该能够维持数周甚至数月的时间,能够在足够多的细胞分裂代数内保持稳定.第四,分子记录器应该具有足够的记录空间,其靶向区域应该允许足够多的突变产生并被记录,因为过短的靶向区域会也导致条形码同质性,缩短分子记录器的使用寿命.
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