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本文由范德比尔特大学医学中心上皮生物学中心的科研人员10月30日在线发表于Nature 杂志。原文衔接请点击文章最后的阅读原文。
哺乳动物发育和癌前病变的时间记录
文章创新点
该论文引入了一种名为NSC-seq（原生单向导RNA捕获与测序）的新平台，通过CRISPR技术实现了哺乳动物模型中细胞的时序与谱系追踪。这一创新在肿瘤发生过程的谱系重建和追踪方面比现有方法具有以下几项显著优势：
1. 单细胞谱系追踪的时序精确性
与传统方法中条码多样性有限、难以准确跟踪时间信息不同，NSC-seq通过在单细胞水平上捕获非聚腺苷化导向RNA（hgRNA），支持高分辨率、长期的突变追踪。其对时间和谱系的高精确性在精确度和效率方面均有显著提升。
2. 多组学数据集成
NSC-seq将CRISPR追踪与多组学分析相结合，整合了基因表达与基因组变化的检测，使得同一细胞的基因表达和谱系突变能够同步分析。这一多模态的能力推动了对细胞起源及转变的理解，尤其在癌症进展研究中更具价值。
3. 创新应用于肿瘤起始研究
该研究还利用NSC-seq研究结直肠肿瘤发生，揭示了肿瘤是否由单一或多个祖细胞起源。NSC-seq能够追踪癌前阶段的克隆起源，使其区别于传统模型，不同于缺乏早期追踪精确性的模型。
这些特性在该领域内是一大突破，使研究者得以解决先前方法难以回答的关于细胞动态与肿瘤演变的复杂问题。
文章解析
背景
该研究解决了发育生物学和肿瘤学中的核心问题：细胞的起源及其在关键事件（如肿瘤发生）中的谱系追踪。传统的谱系追踪方法在时间分辨率及将谱系变化与单细胞基因组和转录组数据关联方面存在局限性。为克服这些问题，本研究引入NSC-seq，这是一种CRISPR方法，能够在单细胞水平上进行时序精确的谱系追踪，特别是针对正常发育及癌前组织转化中的早期克隆起源进行深入探索。
结果
研究人员成功利用NSC-seq绘制了小鼠肠内胚层发育和人类结直肠息肉的癌前细胞谱系行为。关键发现包括：
谱系多样性与趋同性：研究发现小鼠肠上皮祖细胞起源于多个来源（包括胚外来源），并在内胚层形成过程中趋同。
肿瘤起始：通过人类和小鼠数据集的对比分析，研究发现大量人类结直肠息肉呈现多克隆起源，挑战了传统的单克隆癌症起始模型。
时序克隆分析：NSC-seq可检测细胞中不断演变的克隆模式，揭示了肿瘤在选择压力下如何逐渐产生克隆优势。
技术方法
该研究应用了NSC-seq，其捕获非聚腺苷化导向RNA（hgRNA）及线粒体变异（mtVars），从而实现精确的谱系追踪与时间事件的测量。该技术支持单细胞分辨率下的转录组和谱系数据的同时捕获。结合高通量单细胞RNA测序与hgRNA追踪，研究者实现了多组学数据采集，从同一细胞中整合谱系和基因表达信息。此外，研究使用先进的数据分析流程，包括变异等位基因频率（VAF）分析和克隆单核苷酸变异（SNV）识别，以区分人类结直肠息肉的单克隆与多克隆肿瘤起源。
讨论
该研究在细胞谱系与肿瘤起始研究中取得了重大进展，提供了一个高分辨率时序追踪平台。研究结果表明，正常发育和癌症中细胞起源的复杂性。对结直肠息肉多克隆性的检测（即便在早期阶段）表明多样的祖细胞可能会发展为肿瘤。这种方法揭示了潜在的研究路径，如克隆适应性对肿瘤演变的影响，以及克隆性是否可作为高风险癌前病变的生物标志。
研究的局限性
检测灵敏度：由于测序深度限制，人类息肉中的多克隆性检测可能被低估，未能检测到低频突变，可能遗漏更多多克隆性实例。
单细胞数据的稀疏性：单细胞中的低突变频率限制了对所有谱系事件的追踪，尤其在标记稀少的数据集中，未来研究需要更多验证。
研究结果的普适性：该研究主要集中于小鼠和人类的结直肠肿瘤。若要普遍化研究发现，还需在其他组织类型和癌症模型中进一步验证。
综上所述，该研究为发育和癌症生物学中的谱系追踪和时间分析提供了一个稳健框架，在细胞转变和克隆演变过程中带来新的见解。
类器官在本研究中的应用
类器官作为一种受控体外模型，在谱系追踪和突变累积实验中发挥了重要作用。它们允许研究人员观察和测量细胞分裂速率、突变频率和谱系稳定性，模拟出近似体内环境的实验控制和可访问性。以下是类器官在本研究中的重要性：
受控的时间性突变追踪：通过使用培养六周的肠道类器官，研究人员能够测量不同时间点的突变频率和密度。这种方法验证了突变累积与体内结果一致，为在受控环境中追踪细胞分裂和谱系变化提供了可靠依据。
与体内模型的比较：类器官使体外与体内细胞分裂速率得以直接比较。研究发现，类器官的细胞分裂速率几乎是体内的四倍，突显了细胞周转率的差异，这对于理解肿瘤进展速率和模式至关重要。
NSC-seq平台的验证：类器官作为NSC-seq（原生单向导RNA捕获与测序）平台的有效测试平台，通过在类器官中验证谱系重建，研究人员能够在将方法扩展至复杂的体内模型之前，确认平台在捕获谱系信息方面的准确性。
总体而言，类器官在提供细胞培养与整体生物体研究之间的桥梁方面发挥了关键作用，确保了NSC-seq平台在追踪突变和谱系模式方面的可靠性，这对理解发育和癌症生物学至关重要。
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