在浩瀚的生命之树中，每一个生物都与其祖先、后代和同类紧密相连，它们之间的演化路径清晰可循。人体内的细胞亦是如此，数以万亿计的细胞皆由受精卵经由连续分裂而来，彼此之间构成复杂的细胞家族树。对于结构相对简单的生物，如秀丽隐杆线虫（C. elegans），其细胞家族树已被完整绘制。然而，人类的细胞家族树规模更为庞大，复杂性也远超前者。近日，麻省理工学院教授、怀特海生物医学研究所成员Jonathan Weissman及其研究团队，在细胞谱系追踪领域取得了重要进展，他们开发出一种先进的谱系追踪工具PEtracer，不仅能够精确捕捉细胞分裂的家族树，还能结合空间信息，精确定位每个细胞在组织内的位置。这项研究成果为深入理解生物体的发育过程和肿瘤等疾病的发生发展提供了新的视角。
PEtracer：时空追踪细胞的利器
Weissman及其同事在《科学》杂志上发表的论文中，详细介绍了PEtracer的工作原理及其在研究小鼠转移性肿瘤生长中的应用。该工具通过在细胞DNA中重复添加预先设定的短代码，实现对细胞谱系的追踪。这些短代码被称为谱系追踪标记，由DNA的五个碱基组成。研究人员利用一种名为“先导编辑”的基因编辑技术，将这些标记插入到DNA中。随着时间的推移，每个细胞都会获得更多的谱系追踪标记，同时保留其祖先的标记。通过比较细胞的标记组合，研究人员可以推断它们之间的关系，并重建细胞家族树。
“开发这种工具需要整合不同的技能，通过雄心勃勃的跨学科合作才能实现，而这只有在怀特海研究所这样的地方才有可能，”Weissman说。“Luke Koblan带来了基因工程方面的专业知识，Pu Zheng带来了成像方面的专业知识，Katie Yost带来了癌症生物学方面的专业知识，William Colgan带来了计算方面的专业知识，但他们成功的真正关键在于他们能够共同努力构建PEtracer。”
Koblan表示：“理解细胞在时间和空间中的运动是研究生物学的一个重要方法，而在这里，我们能够以高分辨率看到这两件事。我们的想法是，通过理解一个细胞的过去以及它最终的归宿，你可以看到它一生中不同的因素是如何影响它的行为的。在这项研究中，我们使用这些方法来观察肿瘤的生长，尽管原则上我们现在可以开始应用这些工具来研究其他感兴趣的生物学，如胚胎发育。”
为了确保PEtracer的精确性和与成像技术的兼容性，研究人员采用了计算建模的方法进行设计。他们进行了大量的模拟，以确定新的谱系追踪工具的最佳参数，并对系统进行工程改造，使其符合这些参数。通过这种方式，PEtracer能够准确地追踪细胞的谱系，并结合空间信息，为研究人员提供了一个强大的研究工具。
重建肿瘤的历史
研究人员将PEtracer应用于小鼠肺部转移性肿瘤的研究。当肿瘤生长到足够大时，他们收集这些组织，并使用先进的成像方法观察每个细胞与其他细胞的谱系关系，以及它们在成像组织中的空间位置和身份。PEtracer与成像方法和测序方法兼容，可以从单个细胞中捕获遗传信息。这使得研究人员能够全面地了解肿瘤的生长过程。
“从成像中收集和分析所有这些数据是一个巨大的挑战，”Zheng说。“对我来说，特别令人兴奋的不仅是我们能够收集兆字节的数据，而且我们设计的项目能够收集我们知道可以用来回答重要问题和推动生物学发现的数据。”
通过整合谱系追踪、基因表达和空间数据，研究人员得以理解肿瘤的生长方式。他们可以了解相邻细胞之间的亲缘关系，并比较它们的特征。研究发现，他们分析的肿瘤由四个不同的模块或细胞群组成。最靠近肺部的肿瘤细胞，即营养最丰富的区域，是最适应的，这意味着它们的谱系历史表明随着时间的推移，细胞分裂的速度最快。癌细胞的适应性往往与肿瘤的生长速度相关。
肿瘤“前沿”，即远离肺部的一侧，更加多样化，适应性也较差。在前沿下方是一个低氧细胞群，这些细胞可能曾经是前沿细胞，但现在被困在一个不太理想的位置。在这些细胞和肺部相邻细胞之间是肿瘤核心，这是一个包含活细胞、死细胞和细胞碎片区域。
研究人员发现，家族树中的癌细胞同样有可能最终出现在大多数区域，但肺部相邻区域除外，那里的家族树的几个分支占主导地位。这表明，癌细胞的不同特征在很大程度上受到其环境或局部邻域条件的影响，而不是其家族史。进一步的证据是，某些与适应性相关的基因（如Fgf1/Fgfbp1）的表达与细胞的位置相关，而不是其祖先。然而，肺部相邻细胞也具有赋予它们优势的遗传特征，包括与适应性相关的基因Cldn4的表达——这表明家族史也会影响结果。
这些发现表明，癌症的生长既受到某些癌细胞谱系内在因素的影响，也受到塑造暴露于其中的癌细胞行为的环境因素的影响。
Yost表示：“通过同时观察肿瘤的多个维度，我们可以获得仅通过更有限的视角无法获得的见解。能够表征肿瘤内不同的细胞群将使研究人员能够开发出更有效地靶向最具侵袭性细胞群的疗法。”
展望未来
PEtracer的成功开发为细胞谱系追踪领域带来了新的突破。该工具不仅可以应用于肿瘤研究，还可以用于研究胚胎发育和其他生物学过程。通过结合谱系追踪和空间信息，研究人员可以更深入地了解细胞的行为和相互作用，从而为疾病的治疗和预防提供新的思路。
Koblan说：“既然我们已经完成了设计工具的艰苦工作，我们很高兴将它应用到健康和疾病、胚胎发育以及其他模式物种的各种问题中，着眼于理解人类健康中的重要问题。我们收集的数据也将有助于训练细胞行为的AI模型。我们很高兴与其他研究人员分享这项技术，看看我们都能发现什么。”
随着研究的不断深入，PEtracer有望在未来发挥更大的作用，为人类健康事业做出更大的贡献。这项技术不仅为研究人员提供了一个强大的工具，也为我们理解生命的本质提供了新的视角。通过追踪细胞的谱系，我们可以更深入地了解生物体的发育过程，从而为疾病的治疗和预防提供新的思路。同时，PEtracer的应用也将促进人工智能在生物学领域的发展，为我们理解细胞行为提供新的模型和方法。
未来的研究可以将PEtracer与其他先进技术相结合，例如单细胞基因组学、蛋白质组学和代谢组学，以获得对细胞行为更全面的了解。此外，PEtracer还可以用于研究不同类型的肿瘤，以了解不同肿瘤的生长机制和治疗策略。通过对不同肿瘤细胞谱系的追踪，我们可以发现新的治疗靶点，并开发出更有效的治疗方法。
总而言之，PEtracer的开发是细胞谱系追踪领域的一项重大突破，它为我们理解生命的本质和疾病的发生发展提供了新的视角。随着技术的不断发展和应用，PEtracer有望在未来发挥更大的作用，为人类健康事业做出更大的贡献。
