Методы маркирования клеток для изучения судьбы клеточных поколений


https://doi.org/10.18699/VJ16.211

Полный текст:


Аннотация

В процессе развития многоклеточного организма из одной тотипотентной зиготы образуется огромное количество клеток (триллионы для человека) с разной специализацией. Во взрослом состоянии многие ткани постоянно самообновляются: старые клетки погибают, а из популяции стволовых клеток образуются новые. Изучение судьбы отдельных клеток, их происхождения и родственных связей дает ответы на многие вопросы, связанные как с нормальным развитием, так и с патогенезом. Прямые наблюдения за развивающимися эмбрионами позволили установить судьбу бластомеров асцидии Styela partita, а также происхождение всех клеток червя Caenorhabditis elegans. Исследователям повезло с объектом: в первом случае происходит естественное «маркирование » бластомеров, во втором, поскольку тело червя прозрачно, можно следить за каждой клеткой нематоды. В большинстве же случаев определение клеточных линий и идентификация субпопуляций стволовых клеток представляют большую трудность для исследователей. Поэтому для отслеживания судьбы отдельных клеток стали разрабатываться методы маркирования, основанные на внесении в клетки специфических меток, которые наследуются в ходе делений. Поскольку все потомки исходной клетки несут одинаковые метки, их можно легко отличить от потомков других клеток. В обзоре обсуждаются методы маркирования клеток с помощью красителей и генетических конструкций, обеспечивающих синтез белков-репортеров, по наличию которых можно установить родство клеток. Особое внимание уделено методам, основанным на внесении наследуемой метки в геном клеток (генетическое маркирование), в том числе вирусному маркированию и клеточному баркодированию. Один из разделов обзора посвящен маркированию клеток с помощью системы CRISPR/Cas – популярного инструмента генной инженерии.


Об авторах

А. М. Юнусова
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук»
Россия
Новосибирск, Россия


Н. Р. Баттулин
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук» Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»
Россия
Новосибирск, Россия


Список литературы

1. Amat F., Lemon W., Mossing D.P., McDole K., Wan Y., Branson K., Myers E.W., Keller P.J. Fast, accurate reconstruction of cell lineages from large-scale fluorescence microscopy data. Nat. Methods. 2014;11:951-958. DOI 10.1038/nmeth.3036.

2. Axelrod D. Carbocyanine dye orientation in red cell membrane studied by microscopic fluorescence polarization. Biophys. J. 1979;26:557-573. DOI 10.1016/S0006-3495(79)85271- 6.

3. Balakier H., Pedersen R.A. Allocation of cells to inner cell mass and trophectoderm lineages in preimplantation mouse embryos. Dev. Biol. 1982;90:352-362. DOI 10.1016/0012-1606(82)90384-0.

4. Barrangou R., Fremaux C., Deveau H., Richards M., Moineau S., Romero D.A., Horvath P. CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes. Science. 2007;315(5819):1709-1712.DOI 10.1126/science.1138140.

5. Becker A.J., McCulloch E.A., Till J.E. Cytological demonstration of the clonal nature of spleen colonies derived from transplanted mouse marrow cells. Nature. 1963;197:452-454. DOI 10.1038/197452a0.

6. Bergmann O., Bhardwaj R.D., Bernard S., Zdunek S., Barnabé-Heider F., Walsh S., Zupicich J., Alkass K., Buchholz B.A., Druid H., Jovinge S., Frisén J. Evidence for cardiomyocyte renewal in humans. Science. 2009;324:98-102. DOI 10.1126/science.1164680.

7. Bhang H.C., Ruddy D.A., Krishnamurthy Radhakrishna V., Caushi J.X., Zhao R., Hims M.M., Singh A.P., Kao I., Rakiec D., Shaw P., Balak M., Raza A., Ackley E., Keen N., Schlabach M.R., Palmer M., Leary R.J., Chiang D.Y., Sellers W.R., Michor F., Cooke V.G., Korn J.M., Stegmeier F. Studying clonal dynamics in response to cancer therapy using high-complexity barcoding. Nat. Med. 2015; 21:440-448. DOI 10.1038/nm.3841.

8. Buckingham M.E., Meilhac S.M. Tracing cells for tracking cell lineage and clonal behavior. Dev. Cell. 2011;21(3):394-409. DOI 10.1016/j.devcel. 2011.07.019.

9. Bystrykh L.V., Verovskaya E., Zwart E., Broekhuis M., de Haan G. Counting stem cells: methodological constraints. Nat. Methods. 2012;9:567-574. DOI 10.1038/nmeth.2043.

10. Cai D., Cohen K.B., Luo T., Lichtman J.W., Sanes J.R. Improved tools for the Brainbow toolbox. Nat. Methods. 2013;10(6):540-547. DOI 10.1038/nmeth.2450.

11. Capel B., Hawley R.G., Mintz B. Long- and short-lived murine hematopoietic stem cell clones individually identified with retroviral integration markers. Blood. 1990;75:2267-2270.

12. Chalfie M., Tu Y., Euskirchen G., Ward W.W., Prasher D.C. Green fluorescent protein as a marker for gene expression. Science. 1994; 263:802-805. DOI 10.1126/science.8303295.

13. Chen C.H., Puliafito A., Cox B.D., Primo L., Fang Y., Di Talia S., Poss K.D. Multicolor cell barcoding technology for long-term surveillance of epithelial regeneration in zebrafish. Dev. Cell. 2016;36: 668-680. DOI 10.1016/j.devcel.2016.02.017.

14. Cheung A.M.S., Nguyen L.V., Carles A., Beer P., Miller P.H., Knapp D.J.H.F., Dhillon K., Hirst M., Eaves C.J. Analysis of the clonal growth and differentiation dynamics of primitive barcoded human cord blood cells in NSG mice. Blood. 2013;122:3129-3137. DOI 10.1182/blood-2013-06-508432.

15. Conklin E.G. The organization and cell lineage of the ascidian egg. J. Acad. Natl. Sci. 1905;13:1-119. DOI 10.1007/s13398-014-0173-7.2.

16. De Vries H. Atomic bomb effect: variation of radiocarbon in plants, shells, and snails in the past 4 years. Science. 1958;128:250-251. DOI 10.1126/science.128.3318.250.

17. Dick J.E., Magli M.C., Huszar D., Phillips R.A., Bernstein A. Introduction of a selectable gene into primitive stem cells capable of longterm reconstitution of the hemopoietic system of W/Wv mice. Cell. 1985;42:71-79. DOI 10.1016/S0092-8674(85)80102-1.

18. Doudna J.A., Charpentier E. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science. 2014;346(6213):1258096. DOI 10.1126/science.1258096.

19. Eagleson G.W., Harris W.A. Mapping of the presumptive brain regions in the neural plate of Xenopus laevis. J. Neurobiol. 1990;21:427-440. DOI 10.1002/neu.480210305.

20. Gerlach C., Rohr J.C., Perié L., van Rooij N., van Heijst J.W.J., Velds A., Urbanus J., Naik S.H., Jacobs H., Beltman J.B., de Boer R.J., Schumacher T.N.M. Heterogeneous differentiation patterns of individual CD8+ T cells. Science. 2013;340:635-639. DOI 10.1126/science.1235487.

21. Gerrits A., Dykstra B., Kalmykowa O.J., Klauke K., Verovskaya E., Broekhuis M.J.C., De Haan G., Bystrykh L.V. Cellular barcoding tool for clonal analysis in the hematopoietic system. Blood. 2010;115:2610-2618. DOI 10.1182/blood-2009-06-229757.

22. Hadjieconomou D., Rotkopf S., Alexandre C., Bell D.M., Dickson B.J., Salecker I. Flybow: genetic multicolor cell labeling for neural circuit analysis in Drosophila melanogaster. Nat. Methods. 2011;8:260- 266. DOI 10.1038/nmeth.1567.

23. Holt C.E., Garlick N., Cornel E. Lipofection of cDNAs in the embryonic vertebrate central nervous system. Neuron. 1990;4:203-214. DOI 10.1016/0896-6273(90)90095-W.

24. Hsu P.D., Lander E.S., Zhang F. Development and applications of CRISPR-Cas9 for genome engineering. Cell. 2014;157:1262-1278. DOI 10.1016/j.cell.2014.05.010.

25. Jordan C.T., Lemischka I.R. Clonal and systemic analysis of long-term hematopoiesis in the mouse. Gene Dev. 1990;4(2):220-232. DOI 10.1101/gad.4.2.220.

26. Junker J.P., Spanjaard B., Peterson-Maduro J., Alemany A., Hu B., Florescu M., van Oudenaarden A. Massively parallel whole-organism lineage tracing using CRISPR/Cas9 induced genetic scars. BioRxiv. 2016. DOI 10.1101/056499.

27. Kalhor R., Mali P., Church G.M. Rapidly evolving homing CRISPR barcodes. Nat. Methods. 2016. DOI 10.1038/nmeth.4108.

28. Keller P.J., Schmidt A.D., Wittbrodt J., Stelzer E.H.K. Reconstruction of zebrafish early embryonic development by scanned light sheet microscopy. Science. 2008;322:1065-1069. DOI 10.1126/science.1162493.

29. Kretzschmar K., Watt F.M. Lineage tracing. Cell. 2012;148:33-45. DOI 10.1016/j.cell.2012.01.002.

30. Laukkanen M.O., Kuramoto K., Calmels B., Takatoku M., Von Kalle C., Donahue R.E., Dunbar C.E. Low-dose total body irradiation causes clonal fluctuation of primate hematopoietic stem and progenitor cells. Blood. 2005;105:1010-1015. DOI 10.1182/blood-2004-04-1498.

31. Lawson K.A., Meneses J.J., Pedersen R.A. Cell fate and cell lineage in the endoderm of the presomite mouse embryo, studied with an intracellular tracer. Dev. Biol. 1986;115:325-339. DOI 10.1016/0012-1606(86)90253-8.

32. Levin I., Kromer B. The tropospheric 14CO2 level in mid-latitudes of the Northern Hemisphere (1959–2003). Radiocarbon. 2004;46:1261-1272. DOI 10.2458/azu_js_rc.46.4181.

33. Lichtman J.W., Livet J., Sanes J.R. A technicolour approach to the connectome. Nat. Rev. Neurosci. 2008;9:417-422. DOI 10.1038/nrn2391.

34. Livet J., Weissman T.A., Kang H., Draft R.W., Lu J., Bennis R.A., Sanes J.R., Lichtman J.W. Transgenic strategies for combinatorial expression of fluorescent proteins in the nervous system. Nature. 2007;450:56-62. DOI 10.1038/nature06293.

35. Lu R., Neff N.F., Quake S.R., Weissman I.L. Tracking single hematopoietic stem cells in vivo using high-throughput sequencing in conjunction with viral genetic barcoding. Nat. Biotechnol. 2011;29:928-933. DOI 10.1038/nbt.1977.

36. Maetzig T., Brugman M.H., Bartels S., Heinz N., Kustikova O.S., Modlich U., Li Z., Galla M., Schiedlmeier B., Schambach A., Baum C. Polyclonal fluctuation of lentiviral vector- transduced and expanded murine hematopoietic stem cells. Blood. 2011;117:3053-3064. DOI 10.1182/blood-2010-08-303222.

37. Mali P., Yang L., Esvelt K.M., Aach J., Guell M., DiCarlo J.E., Norville J.E., Church G.M. RNA- guided human genome engineering via Cas9. Science. 2013;339:823-826. DOI 10.1126/science.1232033.

38. Mazurier F., Gan O.I., McKenzie J.L., Doedens M., Dick J.E. Lentivector-mediated clonal tracking reveals intrinsic heterogeneity in the human hematopoietic stem cell compartment and culture-induced stem cell impairment. Blood. 2004;103:545-552. DOI 10.1182/blood- 2003-05-1558.

39. Mazzarello P. A unifying concept: the history of cell theory. Nat. Cell Biol. 1999;E13-E15. DOI 10.1038/8964.

40. McKenna A., Findlay G.M., Gagnon J.A., Horwitz M.S., Schier A.F., Shendure J. Whole- organism lineage tracing by combinatorial and cumulative genome editing. Science. 2016;353:aaf7907. DOI 10.1126/science.aaf7907.

41. Naik S.H., Perié L., Swart E., Gerlach C., van Rooij N., de Boer R.J., Schumacher T.N. Diverse and heritable lineage imprinting of early haematopoietic progenitors. Nature. 2013;496:229-232. DOI 10.1038/nature12013.

42. Naik S.H., Schumacher T.N., Perié L. Cellular barcoding: A technical appraisal. Exp. Hematol. 2014. DOI 10.1016/j.exphem.2014.05.003.

43. Nguyen L.V., Cox C.L., Eirew P., Knapp D.J., Pellacani D., Kannan N., Carles A., Moksa M., Balani S., Shah S., Hirst M., Aparicio S., Eaves C.J. DNA barcoding reveals diverse growth kinetics of human breast tumour subclones in serially passaged xenografts. Nat. Commun. 2014a;5:5871. DOI 10.1038/ncomms6871.

44. Nguyen L.V., Makarem M., Carles A., Moksa M., Kannan N., Pandoh P., Eirew P., Osako T., Kardel M., Cheung A.M.S., Kennedy W., Tse K., Zeng T., Zhao Y., Humphries R.K., Aparicio S., Eaves C.J., Hirst M. Clonal analysis via barcoding reveals diverse growth and differentiation of transplanted mouse and human mammary stem cells. Cell Stem Cell. 2014b;1-11. DOI 10.1016/j.stem.2013. 12.011.

45. Nydal R., Lovseth K. Distribution of radiocarbon from nuclear tests. Nature. 1965;206:1029-1031.

46. Palmer T.D., Takahashi J., Gage F.H. The adult rat hippocampus contains primordial neural stem cells. Mol. Cell Neurosci. 1997;8:389- 404. DOI 10.1006/mcne.1996.0595.

47. Perli S.S.D., Cui C.H., Lu T.K. Continuous genetic recording with selftargeting CRISPR-Cas in human cells. Science. 2016;353:aag0511. DOI 10.1126/science.aag0511.

48. Rosenquist G.C. Location and movements of cardiogenic cells in the chick embryo: The heart-forming portion of the primitive streak. Dev. Biol. 1970;22:461-475. DOI 10.1016/0012-1606(70)90163-6.

49. Schepers K., Swart E., van Heijst J.W.J., Gerlach C., Castrucci M., Sie D., Heimerikx M., Velds A., Kerkhoven R.M., Arens R., Schumacher T.N.M. Dissecting T cell lineage relationships by cellular barcoding. J. Exp. Med. 2008;205:2309-2318. DOI 10.1084/jem.20072462.

50. Schmidt S.T., Zimmerman S.M., Wang J., Kim S.K., Quake S.R. Cell lineage tracing using nuclease barcoding. arXiv. 2016;1606:00786.

51. Schroeder T. Long-term single-cell imaging of mammalian stem cells. Nat. Methods. 2011;8:S30-S35. DOI 10.1038/nmeth.1577.

52. Serbedzija G.N., Bronner-Fraser M., Fraser S.E. A vital dye analysis of the timing and pathways of avian trunk neural crest cell migration. Development. 1989;106:809-816.

53. Smirnov A.V., Yunusova A.M., Lukyanchikova V.A., Battulin N.R. CRISPR/Cas9: a universal tool for genomic engineering. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2016;20(4):493-510. DOI 10.18699/VJ16.175. (in Russian)

54. Spalding K.L., Bhardwaj R.D., Buchholz B.A., Druid H., Frisén J. Retrospective birth dating of cells in humans. Cell. 2005;122:133-143. DOI 10.1016/j.cell.2005.04.028.

55. Stewart M.H., Bendall S.C., Levadoux-Martin M., Bhatia M. Clonal tracking of hESCs reveals differential contribution to functional assays. Nat. Methods. 2010;7:917-922. DOI 10.1038/nmeth.1519.

56. Sulston J.E., Horvitz H.R. Post-embryonic cell lineages of the nematode, Caenorhabditis elegans. Dev. Biol. 1977;56:110-156. DOI 10.1016/0012-1606(77)90158-0.

57. Sulston J., Schierenberg E., White J., Thomson J. The embryonic cell lineage of the nematode Caenorhabditis elegans. Dev. Biol. 1983; 100:64-119. DOI 10.1016/0012- 1606(83)90201-4.

58. Till J.E., McCulloch E.A. A direct measurement of the radiation sensitivity of normal mouse bone marrow cells. Radiat. Res. 1961;175:145-149. DOI 10.1667/RRXX28.1.

59. Van Heijst J.W.J., Gerlach C., Swart E., Sie D., Nunes-Alves C., Kerkhoven R.M., Arens R., Correia-Neves M., Schepers K., Schumacher T.N.M. Recruitment of antigen-specific CD8+ T cells in response to infection is markedly efficient. Science. 2009;325:1265-1269. DOI 10.1126/science.1175455.

60. Verovskaya E., Broekhuis M.J.C., Zwart E., Ritsema M., van Os R., de Haan G., Bystrykh L.V. Heterogeneity of young and aged murine hematopoietic stem cells revealed by quantitative clonal analysis using cellular barcoding. Blood. 2013;122:523-532. DOI 10.1182/blood-2013-01-481135.

61. Verovskaya E., Broekhuis M.J.C., Zwart E., Weersing E., Ritsema M., Bosman L.J., Poele T. van, Haan G. de, Bystrykh L.V. Asymmetry in skeletal distribution of mouse hematopoietic stem cell clones and their equilibration by mobilizing cytokines. J. Exp. Med. 2014;211: 487-497. DOI 10.1084/jem.20131804.

62. Vogt W. Gestaltungsanalyse am amphibienkeim mit örtlicher vitalfärbung. II. Teil gastrulation und mesodermbildung bei urodelen und anuren. Wilhelm Roux Arch. Entwicklungsmech. Org. 1929;120: 384-706.

63. Weisblat D.A., Zackson S.L., Blair S.S., Young J.D. Cell lineage analysis by intracellular injection of fluorescent tracers. Science. 1980;209:1538-1541.

64. Wilson E.B. The cell-lineage of Nereis. A contribution to the cytogeny of the annelid body. J. Morphol. 1892;6(3):361-480. DOI 10.1002/jmor.1050060301.

65. Wu A.M., Till J.E., Siminovitch L., McCulloch E.A. A cytological study of the capacity for differentiation of normal hemopoietic colony- forming cells. J. Cell Physiol. 1967;69:177- 184. DOI 10.1002/jcp.1040690208.

66. Wu A.M., Till J.E., Siminovitch L., McCulloch E.A. Cytological evidence for a relationship between normal hemotopoietic colonyforming cells and cells of the lymphoid system. J. Exp. Med. 1968; 127:455-464. DOI 10.1084/jem.127.3.455.

67. Wu C., Li B., Lu R., Koelle S.J., Yang Y., Jares A., Krouse A.E., Metzger M., Liang F., Lor K., Wu C.O., Donahue R.E., Chen I.S.Y., Weissman I., Dunbar C.E. Clonal tracking of rhesus macaque hematopoiesis highlights a distinct lineage origin for natural killer cells. Cell Stem Cell. 2014;14:486-499. DOI 10.1016/j.stem.2014.01.020.


Дополнительные файлы

Просмотров: 160

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2500-0462 (Print)
ISSN 2500-3259 (Online)