Ogni organismo ha il proprio albero genealogico. E come ogni albero genealogico, l’albero genealogico di un organismo è più interessante se è completo e riccamente dettagliato. Cioè, ogni membro dell’albero genealogico dovrebbe essere visualizzato al suo posto insieme ad alcune informazioni biografiche. Nel caso di un organismo—un topo, per esempio—i membri dell’albero genealogico sono singole cellule e le informazioni biografiche sono costituite da profili di espressione genica.

Se si potessero assemblare alberi genealogici completi di tutto l’organismo, i ricercatori imparerebbero molto su sviluppo, invecchiamento e malattia. Sfortunatamente, gli alberi genealogici che tracciano lo sviluppo del tessuto o dell’organismo sono stati limitati a piccoli gruppi di cellule o resi vagamente sospetti, a causa delle distorsioni causate dalle tecniche di valutazione delle cellule intrusive.

La buona notizia è che è stata sviluppata una nuova tecnologia che può servire come una sorta di ancestry.com per le cellule di un organismo. Cioè, promette di accoppiare le informazioni sugli antenati delle cellule con letture molecolari dettagliate, come le firme trascrizionali.

La tecnologia, che si chiama CRISPR Array Repair Lineage tracing (CARLIN), è stata sviluppata dagli scienziati del programma di ricerca sulle cellule staminali del Boston Children’s Hospital e del Dana-Farber Cancer Institute / Harvard Medical School. Può essere utilizzato per monitorare ogni cellula del corpo, dalla fase embrionale fino all’età adulta.

Utilizzando una tecnica di” barcoding ” e la tecnologia di editing genico CRISPR, CARLIN può identificare diversi tipi di cellule man mano che emergono e quali geni si stanno attivando. I dettagli su CARLIN sono emersi sulla rivista Cell, in un articolo intitolato “Una linea di mouse CRISPR-Cas9 ingegnerizzata per la lettura simultanea delle storie di lignaggio e dei profili di espressione genica in singole cellule.”

” Questo modello sfrutta la tecnologia CRISPR per generare fino a 44.000 codici a barre trascritti in modo inducibile in qualsiasi momento durante lo sviluppo o l’età adulta, è compatibile con il codice a barre sequenziale ed è completamente definito geneticamente”, hanno scritto gli autori dell’articolo. “Abbiamo utilizzato CARLIN per identificare i pregiudizi intrinseci nell’attività dei cloni di cellule staminali ematopoietiche del fegato fetale (HSC) e per scoprire un collo di bottiglia clonale precedentemente non apprezzato nella risposta degli HSC alle lesioni.”

“Il sogno che molti biologi dello sviluppo hanno avuto per decenni, è un modo di ricostruire ogni stirpe di singola cellula, cellula per cellula, come un embrione si sviluppa, o come un tessuto è costruito su,” ha detto Fernando Camargo, PhD, un ricercatore maggiore nelle Cellule Staminali del programma di Ricerca e co-autore senior sulla carta, con Sahand Hormoz, PhD, ricercatore, Dana-Farber Cancer Institute e professore di biologia dei sistemi, la Harvard Medical School. “Potremmo usare questo modello di mouse per seguire il suo intero sviluppo.”

Camargo, Hormoz, e co-primi autori per i loro rispettivi laboratori—Sarah Bowling, PhD, e Duluxan Sritharan—creato il modello del mouse utilizzando un metodo che chiamano CRISPR Array Repair Lineage Tracing, o CARLIN. Il modello può rivelare lignaggi cellulari – l ‘” albero genealogico ” in cui le cellule madri creano diversi tipi di cellule figlie—così come quali geni vengono attivati o disattivati in ogni cellula nel tempo.

In precedenza, gli scienziati sono stati in grado di tracciare solo piccoli gruppi di cellule nei topi utilizzando coloranti o marcatori fluorescenti. Sono stati utilizzati anche tag o codici a barre, ma gli approcci precedenti richiedevano una conoscenza preliminare dei marcatori per isolare diversi tipi di cellule o richiedevano un’estrazione e una manipolazione delle cellule che richiedevano tempo, il che potrebbe influire sulle loro proprietà. L’avvento di CRISPR ha permesso ai ricercatori di codice a barre le cellule senza perturbare le cellule e di seguire il lignaggio di migliaia di cellule contemporaneamente.

Utilizzando una forma inducibile di CRISPR, i ricercatori possono creare fino a 44.000 diversi codici a barre di identificazione in qualsiasi momento della vita di un mouse. Gli scienziati possono quindi leggere i codici a barre utilizzando un’altra tecnologia chiamata single-cell RNA sequencing, consentendo la raccolta di informazioni su migliaia di geni che vengono accesi in ogni cella con codice a barre. Questo, a sua volta, fornisce informazioni sull’identità e la funzione delle celle.

Come test case, i ricercatori hanno utilizzato il nuovo sistema per rivelare aspetti sconosciuti dello sviluppo del sangue durante lo sviluppo embrionale e per osservare le dinamiche del rifornimento di sangue dopo la chemioterapia nei topi adulti.

Ma i ricercatori ritengono che il loro sistema potrebbe anche essere usato per capire i cambiamenti negli alberi di lignaggio cellulare durante la malattia e l’invecchiamento. Inoltre, il sistema potrebbe essere utilizzato per registrare la risposta a stimoli ambientali come l’esposizione agli agenti patogeni e l’assunzione di nutrienti.

” Essere in grado di creare mappe di lignaggio unicellulare di tessuti di mammiferi non ha precedenti”, ha affermato Camargo, che è anche membro dell’Harvard Stem Cell Institute. “Oltre alle sue numerose applicazioni allo studio della biologia dello sviluppo, il nostro modello fornirà informazioni importanti sui tipi di cellule e le gerarchie che sono interessate quando gli organismi rispondono a lesioni e malattie.”