当我们去超市购物的时候，通过扫描商品的条形码就可以实现自助购物，每一件商品的条形码都显示了它的价格。那么我们能不能通过给细胞打上条形码从而实现对细胞的追踪呢？通过我们新上的条形码慢病毒文库就可以实现这样子的功能啦。那么什么是条形码文库，它的基本原理是什么呢?以及为什么它被称为细胞谱系示踪文库呢？它的使用范围是哪些呢？今天的这一篇推文我们根据Lineage tracing on transcriptional landscapes links state to fate during differentiation^[1]一文一起来学习一下。

首先，我们要知道什么叫做条形码文库。条形码文库指的是使用 DNA 条形码克隆标记细胞。通过单细胞测序读取这些条形码，可以从分化的细胞群中重建全基因组转录轨迹。每个条形码是一个 40-mer，由 28 个随机和 11 个恒定核苷酸碱基组成。利用慢病毒载体转染将可遗传的DNA条形码插入到基因组中，通过测序可检测到DNA条形码。它的结构图见图1。

图1：可遗传的条形码病毒的结构

对于条形码文库的多样性，理论上有4²⁸种，但是实际上多样性要低得多，每个条形码要经过转化、扩增并从细菌菌落中收获才能出现在最终文库中。根据文中所说的体内和体外数据库中抽取了10000个条形码，并确认这些样本中有多少条形码是共享的，以此来估算文库总体的多样性。T是文库中唯一条形码的总数，当T>>10000时，共享条形码的N值可以根据下列公式计算。

根据实际的10000个取样中，有N=241±13个条形码，根据公式算出来T=414811±22194，即5×10⁵。根据公式得出了条形码多样性的下限。

对于它的应用场景，利用条形码文库病毒结合单细胞测序可以在连续的细胞状态图谱上绘制细胞谱系示踪。通过条形码文库病毒标记细胞然后立即或者在分化之后取样，这样就可以将细胞的初始状态和它们的分化结果联系起来。下图是这两个步骤的示意图：

图2：细胞谱系示踪

在文章中作者做了体外、体内移植造血干细胞的相关实验。在体外的研究中，条形码病毒一般作用于体外分离的造血干细胞。在条形码病毒感染之后，将细胞培养两天，以便慢病毒的整合和分裂。对一半的的细胞进行单细胞测序，另一半的细胞在两天后和四天后进行单细胞测序取样（图c）。从培养液中提取了130887个细胞用于单细胞转录组分析，有38%的细胞属于由两个或者更多的细胞组成的克隆，由1816个细胞呈现跨越早期和晚期的状态。利用SPRING对细胞转录组进行了可视化。在体外，体现了细胞从多能祖细胞（MPPs）到九种成熟细胞状态的连续的状态图。在这种情况下，克隆表现出一系列行为，以及早期祖细胞的自我更新。

图3：体外感染造血干细胞的谱系示踪

对于标记了条形码病毒的造血干细胞的谱系示踪上，文献中将其移植到小鼠体内。并且在移植之后提取了182173个单细胞用于单细胞测序，有63%的细胞属于由两个或更多的细胞组成的克隆，由817个细胞呈现跨越跨越早期和晚期的状态。对于移植到体内的细胞的谱系示踪，跨度从MPPs到中性粒细胞成熟的几个阶段。

图4：体内移植条形码标记的造血干细胞的谱系示踪

参考文献:

[1] Weinreb, C., et al., Lineage tracing on transcriptional landscapes links state to fate during

differentiation. Science, 2020. 367(6479).