导言
在一定条件下，干细胞可能分裂分化形成多种不同的功能细胞、构建器官。然而，由于缺乏高分辨率高信息通量的技术手段，复杂器官的干细胞的功能和命运一直饱受争议。近日，德国癌症研究中心的科学家们开发了一种细胞条形码技术。这项新技术使得科学家只需要注射药物，小鼠的干细胞在原位就会被打上DNA印记。通过分析后代细胞里的条码信息，人们成功的揭示了干细胞在体内分化的过程与命运。他们的研究指出，精准纯化潜藏在体内的多谱系造血干细胞，可能更适用于血液系统的再生治疗。
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细胞的命运与细胞谱系追踪
对于人类而言，生命从一颗受精卵起源，一路分裂分化，形成各种细胞组织和器官。早期的细胞具有分化为多种类型的其他细胞的能力，被称干细胞。使用干细胞技术，人们可以在体外或者体内诱导出需要的组织和器官。这就为再生医学提供了重要的帮助。然而，细胞如何从少数几个起源细胞发展到一个功能完备的器官是一个复杂的问题。为了研究这一过程，一门学科应运而生——细胞谱系追踪。
图1干细胞在体内分化示意图
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传统的细胞命运研究方法
细胞谱系追踪是利用各种手段标记细胞，追踪研究被标记细胞及其后代的生物学过程。其研究通常可以归类为两步，1用遗传稳定、易于观察的标签标记细胞。2观察标签追踪细胞。举个例子，就像帮皇室三兄妹找爸爸一样。机智的NedStark就是通过“头发颜色”这个标签，来观察、追踪，最终发现了原来三兄妹并不是Robert的儿子，而是Jamie的孩子。（并不科学）不过，这里的标签“头发颜色”，不是人为标记上的，而且基因内固有的。
图2发色与遗传谱系追踪
在生物学研究中，科学家也往往采取类似的方法。通过不同颜色的荧光蛋白，标记亲代的细胞。A细胞用绿色荧光蛋白，B细胞用红色荧光蛋白，C细胞用蓝色荧光蛋白标记等等。在一段时间后，通过显微镜手段观察体内的各种器官到底是什么荧光，就可以推断它发育的来源。这种方法在一定程度上可以搞清楚细胞的来源。但实际上却远远不能满足细胞谱系追踪的需求。一方面，荧光蛋白的种类十分有限，能进行的不同种类的标记就变得十分有限了。另一方面，不同荧光蛋白可能具有一定的光谱重叠现象，又进一步缩小的可供选择使用的荧光蛋白的范围。标记的细胞种类不够，器官形成的过程就难以被准确得出。
图3利用不同颜色的荧光区分细胞
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新型细胞条码技术
因此干细胞领域需要新一代谱系追踪技术：既要能提供数量远比荧光蛋白多的标签来标记细胞，又要能方便地从被标记的细胞中把标签读取出来。基于这一需求，德国癌症研究中心的科学家们提供了一种技术策略：使用DNA代替荧光蛋白，基于DNA重组酶Cre面对多个可用位点随机重组的特性，在每个祖先细胞的基因组打上特定的“条形码”（特异的DNA重组标记）。被标记的细胞分裂后，祖先细胞的“条形码”会遗传给他们的子代细胞。通过DNA测序技术来读取每个细胞的“条形码”，对比分析就能将具有相同“条形码”的子细胞与它们的祖先细胞联系起来，从而揭示祖先细胞所经历的发育过程。
那么，这个神奇的条形码是怎样打到细胞上的呢？
图4Cre-loxP系统实现示意图
作者使用了一种叫做Cre-loxP重组系统的技术。其中loxP是一种特定的DNA序列，具有方向性，在上图中用三角形代指。不同指向的三角形代表不同的方向。Cre是一种酶，可以作用于带有loxP序列的DNA片段上。此时，有两种情况可能发生：
1.序列中含有的两个loxP且方向相同时，加入Cre可以使这两个loxP之间的序列被切除。即Cre-mediatedexcision。
2.序列中含有两个loxP且方向相反时，加入Cre可以使这两个loxP之间的序列发生方向反转。即Cre-mediatedinversion。
基于这两个基本原理，作者在一段DNA上设计了多种具有特定方向的loxP片段。不同的片段之间是不同的DNA序列。那么当加入Cre后，这段序列上就可能有许多种不同的切除和反转方式。通过计算模拟，作者发现在有10个loxP的情况下，一共可能发生一百多万种随机组合方式。那么，使用这种工具，理论上就可以同时标记一百多万种不同的细胞。
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造血干细胞的命运研究
建立了这种神奇的标记方法后，科学家们尝试应用这项新技术追踪小鼠造血干细胞的发育。在胚胎阶段，小鼠的造血干细胞还未分化时，研究者对他们进行了“条码标记”。在9个月和11个月时，分别取出了小鼠的各种血液细胞，并研究了这些细胞内部的条码信息。
图5条形码技术研究造血干细胞命运
研究发现，我们常说的造血干细胞主要由三类亚群组成：能制造所有血液细胞的多谱系干细胞、只分化髓系血细胞的单谱系干细胞、以及很“懒”不生产任何血液细胞的休眠干细胞。这项研究结果是首次在不做移植手术的情况下，观察到造血干细胞在自然条件下具有发育潜能的异质性。
基于这结论，也许我们可以推断：所谓的造血干细胞移植，移植过去的细胞，也许不是都会有作用的。那么，精准纯化潜藏在体内活跃的多谱系造血干细胞，可能更适用于血液系统的再生治疗！这一研究，或许为造血干细胞移植，提供了重要的参考。
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结论与展望
这项开创性的技术不仅对血液学的研究意义重大，也同时会给面对复杂生物系统的发育生物学、神经生物学、肿瘤学等研究领域提供强有力的研究手段。文章的第一作者在接受采访时表示，手握这项强大的谱系追踪技术，他们随后还将在疾病、衰老等条件下对干细胞发育潜能的研究。同时，通过结合小鼠肿瘤模型，他们也正在开始观测肿瘤进展过程中肿瘤细胞的生长功能，以及在血液中扩散的肿瘤细胞的真实起源。我们也将持续追踪报道这个工作的后续进程。所以，
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