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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。


分子记录器稳定性时序写入特异性编辑窗口大小编辑效率技术发展程度参考文献
Cas9易丢失易脱靶[41-42,45-51]
先导编辑易脱靶低于Cas9[61,65-66]
DNA结合蛋白高于Cas9[62,67-68]
Muta-T7可调节未知[63-64,69-71]
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表2 新型分子记录器与Cas9分子记录器对比分析
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)。
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