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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3 三种新型分子记录器的工作原理61-64
(pegRNA—先导编辑引导RNA;TRE—在DOX存在时可被rtTA激活的启动子;HsAID—碱基编辑器;iSceI—DNA结合蛋白;rtTA—诱导系统)
正文中引用本图/表的段落
进行体内的DNA分子记录的能力并不是CRISPR-Cas系统所独有的。自2020年左右开始,新的基因编辑技术得到广泛关注,目前已经产生了一些不同原理的基于DNA的分子记录器,都具有应用于细胞谱系追踪的前景,并有潜力克服基于Cas9的分子记录器的一些缺点。在本章中,我们将介绍三种有潜力的、基于不同于CRISPR-Cas原理的新型分子记录器(图3),并且将其优势、劣势与基于Cas9的分子记录器进行对比(表2)。
Jay Shendure课题组将先导编辑用于分子记录器的开发和谱系追踪研究。该方法包括一个由部分CRISPR-Cas9靶位点组成的串联阵列,通过短序列插入编辑记录每次编辑的pegRNA身份,同时将引导编辑位置向前移动。这一系统能够保持多达20个连续的序列事件的记录[61](图3)。按序插入式先导编辑细胞历史记录(prime editing cell history recording by ordered insertion,peCHYRON)技术通过逐个插入带有独特条形码的pegRNA,在特定基因组位点插入20 bp的序列,其中包含3 bp的突变作为条形码和17 bp的恒定序列。每次插入都使先前的结合序列失活,从而实现事件的顺序记录[65]。为进一步增强多重记录能力,增强子驱动的基因组多重转录活动系统(enhancer-derived genomic recording of transcriptional activity in multiplex,ENGRAM)方法将多个信号和特异性条形码整合进pegRNA中,从而能够同时捕获多个基因的转录活性[66]。
除了上述两项在发育领域的研究外,同一研究团队也将SMALT体系用于肿瘤的谱系追踪。他们利用SMALT技术追踪小鼠的结直肠癌肿瘤谱系,在单细胞水平上探究了肠道癌变的起源和演化路径[62](图3)。通过分析条形码中的突变模式重建单细胞谱系树,研究人员揭示了大多数肿瘤(66.7%)具有多克隆起源,表明在炎症驱动的肠道肿瘤发生中,多个独立的细胞谱系的并行扩张是常见的[62]。研究人员量化了每个肿瘤的创始祖细胞数量(Np),发现单克隆肿瘤的Np约为1,而多克隆肿瘤的Np在2到33不等,表明早期肿瘤发生可能由多个独立的祖细胞驱动。对于肠道息肉的分析同样支持该结论[68]。研究人员分析了小鼠肠道多个息肉的单细胞谱系,发现所有息肉都表现出多克隆起源,揭示了多克隆起源的复杂性[62]。此外,研究人员比较了单克隆和多克隆肿瘤的突变负担,发现单克隆肿瘤积累了更多的基因组突变,其可能代表了肿瘤进展的晚期阶段[62]。最后,通过谱系发生树估计祖细胞的时间,研究人员推断了息肉起始的克隆扩张时间,并结合小鼠肠上皮细胞的增殖速率,以此推测人类家族性腺瘤性息肉病(FAP)患者的肿瘤起始可能早在婴儿期就已发生[62]。这些重要发现为结直肠癌的早期筛查和干预提供了新视角,指出在多克隆病变阶段介入的潜在机会,可能改善临床结果[62]。
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