Jeder Organismus hat seinen eigenen Stammbaum. Und wie jeder Stammbaum ist der Stammbaum eines Organismus interessanter, wenn er sowohl vollständig als auch detailreich ist. Das heißt, jedes Mitglied des Stammbaums sollte zusammen mit einigen biografischen Informationen an seiner richtigen Stelle angezeigt werden. Im Falle eines Organismus — zum Beispiel einer Maus — sind die Mitglieder des Stammbaums einzelne Zellen, und die biografischen Informationen bestehen aus Genexpressionsprofilen.

Wenn umfassende Stammbäume für den gesamten Organismus zusammengestellt werden könnten, würden die Forscher viel über Entwicklung, Alterung und Krankheit lernen. Unglücklicherweise, Stammbäume, die die Entwicklung von Gewebe oder Organismen verfolgen, waren auf kleine Gruppen von Zellen beschränkt oder vage verdächtig gemacht, aufgrund von Verzerrungen, die durch aufdringliche Zellbewertungstechniken verursacht werden.

Die gute Nachricht ist, dass eine neue Technologie entwickelt wurde, die als eine Art ancestry.com für die Zellen eines Organismus. Das heißt, es verspricht, Zellabstammungsinformationen mit detaillierten molekularen Anzeigen wie Transkriptionssignaturen zu koppeln.Die Technologie, die CRISPR Array Repair Lineage Tracing (CARLIN) genannt wird, wurde von Wissenschaftlern des Stammzellforschungsprogramms am Boston Children’s Hospital und am Dana-Farber Cancer Institute / Harvard Medical School entwickelt. Es kann verwendet werden, um jede Zelle im Körper zu verfolgen, vom embryonalen Stadium bis zum Erwachsenenalter.

Mit einer „Barcoding“ -Technik und CRISPR-Gen-Editing-Technologie kann CARLIN verschiedene Zelltypen identifizieren, wenn sie auftauchen und welche Gene jeder aktiviert. Details über CARLIN tauchten in der Zeitschrift Cell in einem Artikel mit dem Titel „An Engineered CRISPR-Cas9 Mouse Line for Simultaneous Readout of Lineage Histories and Gene Expression Profiles in Single Cells.“Dieses Modell nutzt die CRISPR-Technologie, um zu jedem Zeitpunkt während der Entwicklung oder im Erwachsenenalter bis zu 44.000 transkribierte Barcodes induzierbar zu generieren, ist mit sequentiellem Barcoding kompatibel und vollständig genetisch definiert“, schrieben die Autoren des Artikels. „Wir haben CARLIN verwendet, um intrinsische Verzerrungen in der Aktivität von fetalen Leber hämatopoetischen Stammzellen (HSC) Klonen zu identifizieren und einen bisher nicht geschätzten klonalen Engpass in der Reaktion von HSCs auf Verletzungen aufzudecken.“

„Der Traum, den viele Entwicklungsbiologen seit Jahrzehnten haben, ist eine Möglichkeit, jede einzelne Zelllinie Zelle für Zelle zu rekonstruieren, während sich ein Embryo entwickelt oder ein Gewebe aufgebaut wird“, sagte Fernando Camargo, PhD, leitender Forscher im Stammzellforschungsprogramm und Co-Senior-Autor des Papiers mit Sahand Hormoz, PhD, Forscher am Dana-Farber Cancer Institute und Assistenzprofessor für Systembiologie, Harvard Medical School. „Wir könnten dieses Mausmodell verwenden, um seine gesamte Entwicklung zu verfolgen.“Camargo, Hormoz und Co-Erstautoren für ihre jeweiligen Labors — Sarah Bowling, PhD, und Duluxan Sritharan — erstellten das Mausmodell mit einer Methode, die sie CRISPR Array Repair Lineage Tracing oder CARLIN nennen. Das Modell kann Zelllinien aufdecken — den „Stammbaum“, in dem Elternzellen verschiedene Arten von Tochterzellen erzeugen – sowie welche Gene im Laufe der Zeit in jeder Zelle ein- oder ausgeschaltet werden.

Bisher konnten Wissenschaftler nur kleine Gruppen von Zellen in Mäusen mit Farbstoffen oder Fluoreszenzmarkern verfolgen. Tags oder Barcodes wurden ebenfalls verwendet, aber frühere Ansätze erforderten Vorkenntnisse über Marker, um verschiedene Zelltypen zu isolieren, oder erforderten eine zeitaufwändige Extraktion und Manipulation von Zellen, die ihre Eigenschaften beeinflussen könnten. Das Aufkommen von CRISPR hat es Forschern ermöglicht, Zellen zu barcodieren, ohne die Zellen zu stören, und der Abstammung von Tausenden von Zellen gleichzeitig zu folgen.Mit einer induzierbaren Form von CRISPR können die Forscher zu jedem Zeitpunkt in der Lebensdauer einer Maus bis zu 44.000 verschiedene identifizierende Barcodes erstellen. Die Wissenschaftler können dann die Barcodes mit einer anderen Technologie namens Einzelzell-RNA-Sequenzierung auslesen, die die Sammlung von Informationen über Tausende von Genen ermöglicht, die in jeder barcodierten Zelle aktiviert sind. Dies wiederum liefert Informationen über die Identität und Funktion der Zellen.Als Testfall nutzten die Forscher das neue System, um unbekannte Aspekte der Blutentwicklung während der Embryonalentwicklung aufzudecken und die Dynamik der Blutauffüllung nach einer Chemotherapie bei erwachsenen Mäusen zu beobachten.Aber die Forscher glauben, dass ihr System auch verwendet werden könnte, um die Veränderungen in zellulären Abstammungsbäumen während Krankheit und Alterung zu verstehen. Darüber hinaus könnte das System verwendet werden, um die Reaktion auf Umweltreize wie Pathogenexposition und Nährstoffaufnahme zu erfassen.“In der Lage zu sein, Einzelzell-Abstammungskarten von Säugetiergeweben zu erstellen, ist beispiellos“, sagte Camargo, der auch Mitglied des Harvard Stem Cell Institute ist. „Neben seinen vielen Anwendungen für das Studium der Entwicklungsbiologie wird unser Modell wichtige Erkenntnisse über die Zelltypen und Hierarchien liefern, die betroffen sind, wenn Organismen auf Verletzungen und Krankheiten reagieren.“