血液中的多種不同類型的細胞是如何產(chǎn)生的,？長期以來,，科學家們一直試圖解答這個問題。根據(jù)經(jīng)典理論,，處于不同發(fā)育階段的血細胞系像樹那樣長出分枝,。樹干是由造血干細胞組成的，而它們的分枝是由多種類型的祖細胞組成的,。隨后,，這些祖細胞進一步長出分枝，產(chǎn)生特化的血細胞,，即紅細胞,、血小板和多種白細胞。然而,，近年來,，人們對這種經(jīng)典理論產(chǎn)生質(zhì)疑。

在一項新的研究中,，德國癌癥研究中心的Hans-Reimer Rodewald和他的合作者們想要捕捉血細胞形成中的動態(tài)事件,，而不僅是拍照。通過與干細胞生物學家Thomas H?fer領(lǐng)導的一個團隊密切合作,，這些研究人員開發(fā)出一種新的技術(shù),，從而能夠讓他們準確地追蹤細胞的發(fā)育過程。為此,，他們給造血干細胞標記上一種基因條形碼以便隨后能夠清晰地鑒定出它們的后代細胞,。相關(guān)研究結(jié)果于2017年8月16日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標題為“Polylox barcoding reveals haematopoietic stem cell fates realized in vivo”,。

Rodewald說,，“基因條形碼之前已被開發(fā)出和使用，但是它們是基于也能夠改變細胞性質(zhì)的方法開展的,。我們的條形碼是不同的：它們能夠組織特異性地和直接在小鼠的基因組中被誘導出的，而且并不會影響這些小鼠的生理發(fā)育,?！边@種新技術(shù)是基于所謂的Cre/loxP系統(tǒng)開發(fā)出的。Cre/loxP系統(tǒng)被用來重排或移除經(jīng)過特定標記的DNA片段,。

Rodewald團隊的Weike Pei和Thorsten Feyerabend培育出在基因組中攜帶這種基因條形碼的小鼠,。在選擇的不編碼基因的位點上，這種基因條形碼含有9個來自擬南芥的小DNA片段（也被稱作代碼元件）。這些片段位于10個被稱作IoxP位點的基因切割位點的兩側(cè),。通過給予一種藥物試劑,，與IoxP位點相匹配的分子剪刀Cre能夠在這些小鼠的造血干細胞中被激活。隨后,，這些代碼元件被隨機地重排或切除,。H?fer說，“這種隨機的DNA條形碼產(chǎn)生器能夠產(chǎn)生高達180萬個基因條形碼,，我們能夠鑒定出在實驗中僅出現(xiàn)一次的代碼元件,。”

當這些經(jīng)過特殊標記的造血干細胞發(fā)生分裂和成熟時,，這些基因條形碼也會保存下來,。通過與德國德爾布呂克分子醫(yī)學中心合作，這些研究人員開展綜合性的條形碼分析以便追蹤單個血細胞是由哪個造血干細胞產(chǎn)生的,。

這些分析揭示出兩個大的發(fā)育分枝在小鼠的造血干細胞中開始產(chǎn)生：在一個分枝中,，免疫系統(tǒng)的T細胞和B細胞產(chǎn)生；在另一個分枝中,，紅細胞和多種其他的白細胞如粒細胞和單核細胞會形成,。所有這些細胞類型能夠由單個造血干細胞產(chǎn)生。Rodewald強調(diào)道,，“我們的發(fā)現(xiàn)證實從多能性造血干細胞開始的層次發(fā)育樹經(jīng)典理論對血細胞生成而言是正確的,。”

這些研究人員開發(fā)出的這種技術(shù)也能夠被用于除研究血細胞發(fā)育之外的其他目的,。這種策略基本上能夠被應用于任何組織,。在未來，它也可能被用來追蹤白血病和其他的癌癥的起源,。