當我們去超市購物的時候，通過掃描商品的條形碼就可以實現自助購物，每一件商品的條形碼都顯示了它的價格。那么我們能不能通過給細胞打上條形碼從而實現對細胞的追蹤呢？通過我們新上的條形碼慢病毒文庫就可以實現這樣子的功能啦。那么什么是條形碼文庫，它的基本原理是什么呢?以及為什么它被稱為細胞譜系示蹤文庫呢？它的使用范圍是哪些呢？今天的這一篇推文我們根據Lineage tracing on transcriptional landscapes links state to fate during differentiation[1]一文一起來學習一下。
首先，我們要知道什么叫做條形碼文庫。條形碼文庫指的是使用 DNA 條形碼克隆標記細胞。通過單細胞測序讀取這些條形碼，可以從分化的細胞群中重建全基因組轉錄軌跡。每個條形碼是一個 40-mer，由 28 個隨機和 11 個恒定核苷酸堿基組成。利用慢病毒載體轉染將可遺傳的DNA條形碼插入到基因組中，通過測序可檢測到DNA條形碼。它的結構圖見圖1。
圖1：可遺傳的條形碼病毒的結構
對于條形碼文庫的多樣性，理論上有428種，但是實際上多樣性要低得多，每個條形碼要經過轉化、擴增并從細菌菌落中收獲才能出現在最終文庫中。根據文中所說的體內和體外數據庫中抽取了10000個條形碼，并確認這些樣本中有多少條形碼是共享的，以此來估算文庫總體的多樣性。T是文庫中唯一條形碼的總數，當T>>10000時，共享條形碼的N值可以根據下列公式計算。
根據實際的10000個取樣中，有N=241±13個條形碼，根據公式算出來T=414811±22194，即5×105。根據公式得出了條形碼多樣性的下限。
對于它的應用場景，利用條形碼文庫病毒結合單細胞測序可以在連續的細胞狀態圖譜上繪制細胞譜系示蹤。通過條形碼文庫病毒標記細胞然后立即或者在分化之后取樣，這樣就可以將細胞的初始狀態和它們的分化結果聯系起來。下圖是這兩個步驟的示意圖：
圖2：細胞譜系示蹤
在文章中作者做了體外、體內移植造血干細胞的相關實驗。在體外的研究中，條形碼病毒一般作用于體外分離的造血干細胞。在條形碼病毒感染之后，將細胞培養兩天，以便慢病毒的整合和分裂。對一半的的細胞進行單細胞測序，另一半的細胞在兩天后和四天后進行單細胞測序取樣（圖c）。從培養液中提取了130887個細胞用于單細胞轉錄組分析，有38%的細胞屬于由兩個或者更多的細胞組成的克隆，由1816個細胞呈現跨越早期和晚期的狀態。利用SPRING對細胞轉錄組進行了可視化。在體外，體現了細胞從多能祖細胞（MPPs）到九種成熟細胞狀態的連續的狀態圖。在這種情況下，克隆表現出一系列行為，以及早期祖細胞的自我更新。
圖3：體外感染造血干細胞的譜系示蹤
對于標記了條形碼病毒的造血干細胞的譜系示蹤上，文獻中將其移植到小鼠體內。并且在移植之后提取了182173個單細胞用于單細胞測序，有63%的細胞屬于由兩個或更多的細胞組成的克隆，由817個細胞呈現跨越跨越早期和晚期的狀態。對于移植到體內的細胞的譜系示蹤，跨度從MPPs到中性粒細胞成熟的幾個階段。
圖4：體內移植條形碼標記的造血干細胞的譜系示蹤
從這篇文獻我們了解了條形碼文庫病毒的基本原理以及相關的運用方向，我們可以看到結合條形碼文庫病毒進一步是利用單細胞RNA測序（scRNA-seq）追蹤標記了條形碼的單個細胞的克隆譜系的分化狀態。感興趣的老師們快來咨詢我們吧。
參考文獻:
[1] Weinreb, C., et al., Lineage tracing on transcriptional landscapes links state to fate during
differentiation. Science, 2020. 367(6479).