DNA Typewriter dựng cây phả hệ 1,28 triệu tế bào từ một phôi chuột
Máy ghi phân tử dùng prime editing lưu dấu theo thứ tự suốt 13,5 ngày phát triển, nhưng cây dữ liệu lớn nhất hiện mới đến từ một phôi có tín hiệu tốt.
Một nhóm thuộc Seattle Hub for Synthetic Biology đã dùng DNA Typewriter để dựng cây phả hệ của 1,28 triệu tế bào trong một phôi chuột, từ hợp tử tới ngày phát triển 13,5. Công trình được Science công bố ngày 8/10, đưa kỹ thuật ghi lịch sử tế bào bằng chỉnh sửa gene từ nuôi cấy vào một động vật đang phát triển.
Cây kết quả bao phủ khoảng 10% số tế bào của phôi ở giai đoạn hình thành cơ quan muộn. Mỗi nhánh vừa cho biết tế bào có quan hệ tổ tiên ra sao, vừa được ghép với dữ liệu biểu hiện gene để nhận diện loại tế bào. Nhóm cũng phát hành trình duyệt NextCell để người khác khám phá dữ liệu.
Quy mô rất lớn nhưng cần đọc đúng giới hạn: kết quả chi tiết nhất đến từ một phôi có hệ ghi hoạt động đặc biệt tốt. Nó là bằng chứng khả thi và một bộ dữ liệu phong phú, chưa phải bản đồ chuẩn đại diện cho mọi phôi chuột hay sự phát triển ở người.
Một “cuộn băng” được viết trực tiếp trong DNA
DNA Typewriter dựa trên prime editing. Nhóm đưa một đoạn DNA nhân tạo có nhiều vị trí ghi, gọi là TAPE, cùng prime editor và RNA dẫn đường vào hợp tử. Trình chỉnh sửa chèn một ký hiệu ngắn ở vị trí đang mở; lần chèn đó đóng vị trí hiện tại và mở vị trí kế tiếp. Vì vậy các dấu được xếp theo thứ tự thay vì chồng ngẫu nhiên.
Khi tế bào phân chia, con cháu thừa hưởng các dấu đã có rồi ghi thêm dấu mới. Hai tế bào có nhiều ký hiệu chung nhiều khả năng chia sẻ tổ tiên gần; phần ký hiệu khác nhau cho thấy chúng tách nhánh ở đâu. Phân tích hàng triệu chuỗi ghi cho phép thuật toán suy cây tương tự cách nhà sinh học dựng phả hệ từ đột biến.
Trong thí nghiệm, các thành phần được tiêm vào nhân của trứng chuột đã thụ tinh và tích hợp vào bộ gene. Phôi phát triển tới E13.5, khoảng hai phần ba thai kỳ chuột, trước khi nhóm tách nhân, đọc transcriptome và thu hồi bản ghi TAPE.
Dấu ở lần phân chia đầu tạo hai phép lặp trong cùng một phôi
Theo bài báo trên Science và phần trình bày của Allen Institute, dữ liệu giữ được dấu rõ ở lần hợp tử tách thành hai tế bào. Hai nhánh đầu đóng góp không cân xứng cho phôi, khoảng 57% và 42% số tế bào được ghi, nhưng tạo tỷ lệ các loại tế bào gần tương tự nhau.
Điều này cho phép nhóm xem hai nhánh như hai phép lặp nội bộ. Họ còn thấy một nhóm nhỏ tế bào sáng lập trước giai đoạn tạo phôi vị tạo ra phần không cân xứng của phôi dù ban đầu vẫn có khả năng sinh nhiều loại mô. Ở thang nhỏ, tế bào chị em thường chia sẻ số phận cao hơn ngẫu nhiên, đặc biệt trong các dòng có vùng tế bào sáng lập hẹp.
1,58 triệu nhân được đo, 1,28 triệu tế bào vào cây công khai
Allen Institute cho biết nhóm đọc dấu ở khoảng 1,58 triệu nhân tế bào và công bố cây gồm hơn 1,28 triệu tế bào có hồ sơ. Bản tiền công bố mô tả hơn 1,75 triệu transcriptome nhân đơn và khoảng 1,34 triệu tế bào được chú giải; khác biệt phản ánh phiên bản và tiêu chí lọc dữ liệu. Bài viết này dùng con số 1,28 triệu của bản Science và trình duyệt công khai.
NextCell tại next-cell.org cho phép xem nhánh theo thời gian phôi, loại mô và biểu hiện gene.
Hiệu suất tạo phôi ghi tốt vẫn là nút thắt
Nhóm thử đưa hệ ghi vào 100 trứng đã thụ tinh, chuyển 78 trứng và thu được 10 phôi để đánh giá. Chỉ một trong số đó có hoạt động ghi đủ mạnh cho cây quy mô lớn. Bản tiền công bố ghi nhận việc đưa DNA còn dạng khảm, số lượng và vị trí tích hợp chưa được kiểm soát; hệ ghi cũng có giai đoạn ít hoạt động sớm và chậm lại trong một số dòng máu.
Do đó, tỷ lệ thành công và độ đồng đều phải cải thiện trước khi so sánh nhiều phôi, genotype hoặc điều kiện bệnh một cách có hệ thống. Hệ ghi cũng không theo dõi trực tiếp mọi sự kiện sinh học: nó lưu các ký hiệu rời rạc, rồi nhà nghiên cứu suy thời gian và quan hệ từ xác suất.
Nếu vượt được giới hạn này, phương pháp có thể giúp nghiên cứu dị tật bẩm sinh, sự lan của ung thư, hiệu quả tế bào gốc và lão hóa. Đó là triển vọng, chưa phải ứng dụng chẩn đoán. Công trình hiện tại trước hết chứng minh rằng một “nhật ký” phân tử có thể tồn tại qua gần hai tuần phát triển và đọc lại ở quy mô hơn một triệu tế bào.
Nguồn ảnh đại diện: Seattle Hub for Synthetic Biology/Allen Institute, cây tròn phả hệ tế bào của phôi E13.5; màu thể hiện hai nhánh từ lần phân chia đầu.
