Science：CRISPR“直击”胚胎生长过程，下一步也许就是癌症！

5月26日，发表在Science上的一项研究中，哈佛大学的发育生物学家Alexander Schier和他的同事设计了一种在发育动物中标记和追踪细胞的新方法。在首次测试中，研究人员利用CRISPR技术揭示了一项惊人的发现，即成年斑马鱼中的许多组织和器官仅仅是从几个胚胎细胞形成的。

Francis Crick研究所的发育生物学家James Briscoe说：“这是对CRISPR技术的一次创新性使用。”在CRISPR的一种原始用途中，模板DNA会告诉细胞如何修复双链缺口，但如果科学家不提供模板，细胞就无法精准修复断裂处，最终会留下“伤疤”，导致一些核苷酸缺失，或者添加“错误”的核苷酸。


Three-day-old zebrafish embryos.

为了确保斑马鱼基因真的被删除，Schier通过引入多种不同的向导RNA靶向了多个位点。但是重复试验却带了截然不同的结果，包括删除部分的大小多种多样等。Schier及华盛顿大学的遗传学家Jay Shendure意识到，这种破坏的多样性可以被用于新的研究。

在斑马鱼胚胎基因组中，Schier和Shendure插入了一些额外的DNA，包括10种不同的CRISPR靶向序列。随后，他们向单细胞胚胎中注射了Cas9酶和10种与靶向序列匹配的向导RNA。随着胚胎的发育，CRISPR系统会反复的破坏和靶向每个细胞中的DNA，最终形成了一种独特的“条形码”。

当细胞分裂时，子细胞最初会拥有相同的“条形码”，但当Cas9作用于不同的位置时，就会产生差异。“条形码”的第一次变化似乎发生在胚胎变成两个细胞的阶段，随后基因编辑系统会在运行约4个小时后“耗尽力气”。当胚胎发育成成千上万个细胞后，留下来的“条形码”将随着细胞的继续增殖在成年动物细胞中出现。

A cellular family tree

四个月后，科学家们收集了成年斑马鱼的器官，从约20万个细胞中分离出一千多种不同的“条形码”。结果发现，大部分器官中超过一半的细胞共享着不到7个“条形码”。在除大脑外的所有器官中，25种不同的“条形码”组成了90%以上的细胞。Briscoe说：“组织可能是由比我预想的要小得多的一组细胞形成的。”

科学家们将这一新技术称为GESTALT（Genome Editing of Synthetic Target Arrays for Lineage Tracing），它有望帮助阐明单细胞最终发展成动物的过程；同时，GESTALT还有望揭示癌症研究中的重要问题，如多少前体细胞引发了肿瘤，扩散的癌症细胞如何与最初的肿瘤相关等。

然而，研究人员表示，这一技术也有它的缺点，例如它并没有可靠地标记每一代的细胞。但是，相比其它一些追踪细胞和它们后代的方法（如染色或依赖自然突变），借助CRISPR技术产生的“条形码”可能更有效，且容易使用。Schier说：“我认为，从概念上来讲，这是最令人兴奋的事情，你可以记录DNA的历史。”

其它相关研究

事实上，在这一文章发表前，研究人员已经提出了将CRISPR系统插入了细胞记忆中的其它方法。来自MIT的一个团队提出了一个叫mSCRIBE（mammalian Synthetic Cellular Recorder Integrating Biological Events）的系统。在这一研究中，科学家们向细胞中插入了单个CRISPR靶向序列，并改造位点使其能够编码向导RNA。随后，Cas9酶破坏DNA，导致序列突变，从而产生突变的向导RNA。突变的向导RNA再引导Cas9作用于靶向序列，如此循环下去。在这一过程中DNA序列和向导RNA在不断变化。

近阶段，“魔剪”CRISPR展示出了其多方位的应用实力。5月5日，发表在Science上的一项研究中，科学家们开发出了一项新技术，利用基因编辑系统CRISPR来快速鉴别基因变异。[详细]
另一方面，科学家们也逐渐认识到可以利用CRISPR技术来激活基因的表达；5月23日，Nature Methods杂志上发表了一项相关的结果，遗传学大牛George Church是该研究的通讯作者之一。

此外，5月25日，发表在Nature Communications上的一项研究中，纽约大学的研究团队基于CRISPR/Cas9系统开发了一个定向检测基因组区域的活体成像系统。该系统能够精确观测基因组位点和细胞核结构，揭示细胞核改变在基因表达调控和其它细胞过程中的重要作用。

[1] Kai Kupferschmidt. Genome editor CRISPR helps trace growth of embryos—and maybe cancer next.May. 26, 2016.

[2] Aaron McKenna,et al. Whole organism lineage tracing by combinatorial and cumulative genome editing. Science. 26 May 2016.