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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2 重建谱系发生树与整合组学数据分析4349,Cas9分子记录器的缺点与错误构建的谱系发生树34249
正文中引用本图/表的段落
自2016年以来,人们在应用这项新技术的同时,也认识到其具有明显的缺陷,其主要是由CRISPR-Cas9系统在细胞内产生DNA双链断裂的固有特点造成的。首先,Cas9引起的DNA条形码主要以碱基缺失(deletions)形式存在,缺失可能会导致条形码发生丢失或简并现象,干扰谱系发生树的建立。其次,Cas9的编辑效率并不能保证在一次分裂的时间内,对每个细胞中都至少引入一个编辑,也就会导致时间分辨率的下降。另外,编辑窗口窄,即可被编辑的位点少,这也会导致条形码发生简并现象,干扰谱系发生树的建立[3](图2)。因此,在后续的研究中,不同研究组纷纷开发了各种不同的方法来提高谱系追踪技术的编辑效率、时间分辨率和编辑稳定性。
细胞谱系数据解析是一个高度复杂且多层次的分析流程,涵盖了从数据预处理、亚克隆识别、谱系发生树构建到验证和解释的多个步骤,我们在这部分详细介绍如何用生物信息学手段从分子记录器产生的数据中重建谱系发生树,以及多组学数据(尤其是单细胞组学数据)如何与细胞谱系分析相结合,获得对生物学问题的更深层次理解(图2)。
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]. ...
Molecular recording of mammalian embryogenesis
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... 自2016年以来,人们在应用这项新技术的同时,也认识到其具有明显的缺陷,其主要是由CRISPR-Cas9系统在细胞内产生DNA双链断裂的固有特点造成的.首先,Cas9引起的DNA条形码主要以碱基缺失(deletions)形式存在,缺失可能会导致条形码发生丢失或简并现象,干扰谱系发生树的建立.其次,Cas9的编辑效率并不能保证在一次分裂的时间内,对每个细胞中都至少引入一个编辑,也就会导致时间分辨率的下降.另外,编辑窗口窄,即可被编辑的位点少,这也会导致条形码发生简并现象,干扰谱系发生树的建立[3](图2).因此,在后续的研究中,不同研究组纷纷开发了各种不同的方法来提高谱系追踪技术的编辑效率、时间分辨率和编辑稳定性.
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