近年来，诱导多能干细胞衍生的类器官，为研究人体器官发育提供了模型。据悉，单细胞转录组学能对这些系统中的细胞状态进行高度解析。然而，此前尚无方法去直接测量血统关系。
基于此，浙大校友何志嵩和同事们共同研发了谱系记录仪iTracer，它能将报告条形码与可诱导的CRISPR–Cas9瘢痕相结合，并与单细胞和空间转录组学兼容，借此即可探索大脑类器官发育过程中的克隆性和谱系动力学。
详细来说，该记录仪允许从初始化iPSC池进行克隆追踪，同时还可以使用诱导性疤痕在不同时间点进行谱系记录，既可以进行克隆分析，也可以探索细胞命运建立的时间动态，规避了多轮诱导性疤痕标记的低效问题。
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何志嵩（来源：何志嵩）
年12月30日，相关论文以《人脑类器官中的谱系记录》（Lineagerecordinginhumancerebralorganoids）为题，发表在NatureMethods上[1]。
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相关论文（来源：NatureMethods）
长期以来，何志嵩所在研究组对人类早期胚胎发育时中枢神经系统尤其是脑部发育、神经发育相关疾病的发病机理、以及发育时的表现有着浓厚兴趣。
研究中，他们使用大脑类器官微型三维组织培养技术，定向诱导人类胚胎干细胞，或诱导多能干细胞分化成不同类型的脑部神经元以及其他细胞类型，从而对人类脑部早期发育过程、进行模拟和机理研究。
为全面描绘这一过程中细胞分子特征的变化，他们大量使用单细胞测序技术、尤其是单细胞转录组技术，来获取期间可能出现的动态细胞状态，并通过整合不同时间点的样本数据、以及各种计算分析手段，来推测不同细胞类型的发生过程。
不过这一方法也有局限性，当前单细胞测序技术需要对细胞进行破坏式测量，因此只能获取细胞在最终测量时、关于细胞状态的单一快照。
这样既无法得知细胞的历史状态，更无法得到细胞的谱系信息，也就是说这些细胞系在特定时间由同一个干细胞分裂分化所产生的后代细胞。
而对于更好地描绘大脑早期发育过程，这些信息至关重要。为此，何志嵩和他的同事们需要一种新技术，在兼容当前单细胞测序技术的同时，可进一步获取细胞谱系信息，即进行细胞谱系追踪。
当前，可兼容单细胞转录组测序的细胞谱系追踪技术，主要分成两类：
一类为静态序列标记，即构建一个高复杂度的条码序列文库、转染并整合到干细胞中，从而标记不同的干细胞；
另一类为基于CRISPR技术的动态序列标记，即通过诱导CRISPR编辑系统，对一个特定序列引入一系列随机突变，并通过每个干细胞中检测到的突变组合，来构建细胞谱系信息。
这两种技术各有利弊：静态序列标记仅能获取单个时间点的谱系信息；而基于CRISPR技术的动态标记，则存在比较严重的标记冲突问题，多次独立编辑事件会产生同样的突变，从而导致重构谱系信息的不准确。
为更好地解决这一问题，何志嵩和他的同事一起整合了这两类技术，开发出iTracer技术。iTracer包含静态序列标记原件，可用于标记起始时间点的不同干细胞，也包括基于CRISPR编辑系统的动态序列标记，结合带有可诱导Cas9蛋白基因的干细胞，即可在特定时间点产生额外的随机突变，从而得到第二层细胞谱系信息。
（来源：NatureMethods）
概括来说，该技术综合了两类已有技术的优点，既能获得多个时间点的谱系层次信息，也能降低标记冲突问题造成的影响。
随后，他们将iTracer技术用于大脑类器官系统中，借此研究大脑类器官中不同类型神经元之间的谱系关联。
他发现，代表不同脑区的神经元，倾向于由不同的多能干细胞产生，且同一多能干细胞产生的后代细胞，在空间分布上呈现出聚集分布的特征。
（来源：NatureMethods）
这一现象暗示着，在分裂分化过程中，大脑类器官的细胞并未发生显著的细胞迁移，因而其后代细胞呈聚集分布，并在类似的微环境作用下，被诱导为同样类型的神经元。
通过使用长时间光片显微镜技术，对稀疏核标记的大脑类器官进行追踪观察，这一假设也得到了进一步证明。
（来源：NatureMethods）
而在此基础上，通过在不同时间点引入动态序列标记，还可得到大脑类器官中不同细胞类型、特别是不同类型神经元的命运决定关键时间点，并对同一多能干细胞产生的不同后代神经元的分化情况进行比较。
此外，通过在iTracer的基础上额外引入一个针对靶点基因的gRNA，还能在利用iTracer记录细胞谱系信息的同时，对靶点基因进行基于CRISPR技术的基因敲除，并据此对基因敲除如何影响细胞谱系的发展分化进行研究。
据介绍，何志嵩和同事们也将iTracer-perturb这一技术用于大脑类器官中，并就TSC2基因对大脑类器官中神经元发育的影响，进行了初步探讨。
结合基于CRISPR技术基因敲除的iTracer技术
该研究始于年。何志嵩所在小组主要
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