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秀丽隐杆线虫（C. elegans）的完整细胞谱系早在四十多年前即已绘制完成，这之所以可行，是因为该动物体型小、透明且谱系恒定。大多数动物都不具备这些特征：它们的细胞数量高出若干个数量级、个体不透明，并且其发育过程具有显著的随机性。自2016年以来，基于基因组编辑的谱系追踪为在此类生物中重建高密度细胞谱系打开了大门，但要真正实现这一前景在技术上已被证明极具挑战性。本文将 DNA Typewriter 应用于小鼠从合子（E0）到器官发生晚期（E13.5）的发育追踪。DNA Typewriter 是一种基于引导编辑（prime editing）的记录系统，能够以严格顺序向工程化基因组 TAPE 中写入随机的符号性插入。我们通过原核注射（pronuclear injection，PNI）将编码引导编辑器、工程化引导编辑向导 RNA（epegRNA）以及由 Pol III 驱动的环化 TAPE RNA（circTAPE）的构建体导入野生型合子，随后采用单核转录组分析（sci-RNA-seq3）并结合配对 circTAPE 回收对胚胎进行检测。对于一个 E13.5 胚胎，其携带约 7 个组成型表达引导编辑器的整合位点以及 11 个含 6 单元 circTAPE 的整合位点，我们获得了约 175 万个单核转录组，并重建了一个包含 1,340,794 个已注释细胞、经时间校准且具有基于简约法节点支持的系统发育树。 第一次细胞分裂被明确无歧义地标记出来；尽管由此产生的卵裂球对胚胎本体的贡献并不对称，但它们在命运上是中性的，并作为内部重复再现了每一项发现。一个规模适中的原肠形成前始祖细胞群主导了胚胎，其不平等性在始祖细胞分配后的一个到两个细胞周期内即超过中性预期，然而这些始祖细胞仍保持广泛的多能性；在器官发生期间，特定谱系中又出现了第二阶段的克隆优势。在最精细的尺度上，同胞细胞共享同一细胞类型的概率是随机水平的 9 倍；对于来源于空间受限始祖细胞池的细胞类型，这一富集可达 68 至 107 倍；与此同时，器官发生期间近期分化的事件可从终末分支的异型结构中清晰辨识。仅凭分支共现关系，我们便重建了胚层组织结构以及自 E8.5 起具有时间标定的细胞类型耦合层级及其分叉点。最后，通过将这些数据与我们构建的小鼠发育单细胞时间序列相整合，我们为大多数内部节点推断了转录状态和注释，并重建了多种细胞类型已被确立的状态历史。所有数据均已免费公开，并同时提供 NextCell——一个用于浏览这一从合子到器官发生晚期的小鼠发育注释细胞系统发育树的交互式浏览器。
利用 DNA Typewriter 对发育中小鼠自合子至器官发生晚期的细胞谱系历史进行体内重建 | bioRxiv
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利用 DNA Typewriter 对发育中小鼠自合子至器官发生晚期的细胞谱系历史进行体内重建
Qi Yu，Haedong Kim，Sophie Seidel，James F. Acosta-Clark，Beth K. Martin，Kyle O'Connor，Riza M. Daza，Molly Gasperini，Jenny F. Nathans，Maggie Lam，Elena Gamo，Shruthi Vijay Kumar，Lauren Kuo，Jean-Benoît Lalanne，Kamen Simeonov，Marion Pepper，Cole Trapnell，Jesse M. Gray，Junhong Choi，Chengxiang Qiu，Jay Shendure
doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.29.741625
Qi Yu 1 美国华盛顿州西雅图，华盛顿大学基因组科学系； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者
Haedong Kim 1 美国华盛顿州西雅图，华盛顿大学基因组科学系； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者
Sophie Seidel 1 美国华盛顿州西雅图，华盛顿大学基因组科学系； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Sophie Seidel 的 ORCID 记录
James F. Acosta-Clark 2 美国华盛顿州西雅图，西雅图合成生物学中心； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 James F. Acosta-Clark 的 ORCID 记录
Beth K. Martin 1 美国华盛顿州西雅图，华盛顿大学基因组科学系； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Beth K. Martin 的 ORCID 记录
Kyle O'Connor 2 美国华盛顿州西雅图，西雅图合成生物学中心； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者
Riza M. Daza 1 美国华盛顿州西雅图，华盛顿大学基因组科学系； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Riza M. Daza 的 ORCID 记录
Molly Gasperini 2 美国华盛顿州西雅图，西雅图合成生物学中心； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Molly Gasperini 的 ORCID 记录
Jenny F. Nathans 1 美国华盛顿州西雅图，华盛顿大学基因组科学系； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Jenny F. Nathans 的 ORCID 记录
Maggie Lam 1 美国华盛顿州西雅图，华盛顿大学基因组科学系； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者
Elena Gamo 2 美国华盛顿州西雅图，西雅图合成生物学中心； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者
Shruthi Vijay Kumar 2 美国华盛顿州西雅图，西雅图合成生物学中心； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Shruthi Vijay Kumar 的 ORCID 记录
Lauren Kuo 2 美国华盛顿州西雅图，西雅图合成生物学中心； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Lauren Kuo 的 ORCID 记录
Jean-Benoît Lalanne 1 美国华盛顿州西雅图，华盛顿大学基因组科学系； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Jean-Benoît Lalanne 的 ORCID 记录
Kamen Simeonov 3 美国华盛顿州西雅图，Fred Hutchinson 癌症中心公共卫生科学部 / 转化研究项目 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Kamen Simeonov 的 ORCID 记录
Marion Pepper 2 美国华盛顿州西雅图，西雅图合成生物学中心； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Marion Pepper 的 ORCID 记录
Cole Trapnell 1 美国华盛顿州西雅图，华盛顿大学基因组科学系； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Cole Trapnell 的 ORCID 记录
Jesse M. Gray 2 美国华盛顿州西雅图，西雅图合成生物学中心； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者
Junhong Choi 1 美国华盛顿州西雅图，华盛顿大学基因组科学系； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Junhong Choi 的 ORCID 记录
Chengxiang Qiu 1 美国华盛顿州西雅图，华盛顿大学基因组科学系； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Chengxiang Qiu 的 ORCID 记录
Jay Shendure 1 美国华盛顿州西雅图，华盛顿大学基因组科学系； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本网站搜索该作者 Jay Shendure 的 ORCID 记录
通讯作者： shendure{at}uw.edu
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摘要
秀丽隐杆线虫的完整细胞谱系在四十多年前即已绘制完成，这之所以可行，是因为该动物体型小、透明且谱系不变。大多数动物都不具备这些特征：它们的细胞数量高出若干个数量级、个体不透明，并且发育过程具有显著的随机性。自 2016 年以来，基于基因组编辑的谱系追踪为此类生物中高密度细胞谱系重建打开了大门，但要兑现这一前景在技术上一直极具挑战。在此，我们应用 DNA Typewriter——一种基于先导编辑的记录系统，它以严格的顺序将随机的符号性插入写入经工程化改造的基因组 TAPE——来追踪小鼠从合子（E0）到器官发生晚期（E13.5）的发育。我们通过原核注射（PNI）将编码先导编辑器、工程化先导编辑引导 RNA（epegRNA）以及由 Pol-III 驱动的环化 TAPE RNA（circTAPE）的构建体导入野生型合子，随后利用单核转录组测序（sci-RNA-seq3）并配对回收 circTAPE 对胚胎进行检测。在一个 E13.5 胚胎中，该胚胎携带约 7 个组成型表达先导编辑器的整合位点和 11 个 6 单元 circTAPE 的整合位点；我们从中获得约 175 万个单核转录组，并重建了由 1,340,794 个已注释细胞构成的、经时间校准的系统发育树，同时给出了基于简约法的节点支持度。第一次细胞分裂被明确无误地标记出来；尽管由此产生的卵裂球对胚胎本体的贡献并不对称，它们在命运上却是中性的，并可作为内部重复以复现每一项发现。一个规模适中的原肠胚形成前奠基细胞群主导了胚胎，其不均等性在奠基细胞分配后的一到两个细胞周期内即超过中性预期；然而，这些奠基细胞仍保持广泛的多能性。在器官发生期间，特定谱系中又出现了第二阶段的克隆优势。在最精细的尺度上，姐妹细胞共享同一细胞类型的概率比随机情况高出 9 倍；对于源自空间受限奠基细胞库的细胞类型，这一富集可达 68 至 107 倍；同时，器官发生过程中近期分化的事件可从终末分支群的异型结构中被解析出来。仅凭分支群共现信息，我们便重建了胚层组织结构以及自 E8.5 起分支点具有时间标定的细胞类型耦合层级。最后，通过将这些数据与我们的小鼠发育单细胞时间序列相整合，我们为大多数内部节点推断了转录状态和注释，并恢复了多种细胞类型已知的状态历史。所有数据均已免费公开，同时提供 NextCell——一个用于浏览这一从合子到器官发生晚期的小鼠发育注释细胞系统发育树的交互式浏览器。
利益冲突声明
华盛顿大学已提交一项与 DNA Typewriter 相关的专利申请，J.C. 和 J.S. 被列为发明人。J.S. 担任 10x Genomics、Cellular Intelligence、Guardant Health、Pacific Biosciences 和 Phase Genomics 的科学顾问委员会成员、顾问和/或联合创始人。其余作者声明不存在竞争性利益。
已声明的资助信息
陈-扎克伯格倡议（美国） CZIF2023-008738
美国国立卫生研究院共同基金 R00HG012973 P30CA008748
Damon Runyon 癌症研究基金会 DFS-64-24
Searle 学者奖 SSP-2025-101
达特茅斯学院 P20GM130454
瑞士国家科学基金会 239394
霍华德·休斯医学研究所 https://ror.org/006w34k90
版权
本预印本的。 本文依据 CC-BY 4.0 国际许可协议公开。
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发表于 2026 年 7 月 30 日。
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Qi Yu，Haedong Kim，Sophie Seidel，James F. Acosta-Clark，Beth K. Martin，Kyle O'Connor，Riza M. Daza，Molly Gasperini，Jenny F. Nathans，Maggie Lam，Elena Gamo，Shruthi Vijay Kumar，Lauren Kuo，Jean-Benoît Lalanne，Kamen Simeonov，Marion Pepper，Cole Trapnell，Jesse M. Gray，Junhong Choi，Chengxiang Qiu，Jay Shendure
bioRxiv 2026.07.29.741625； doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.29.741625
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Qi Yu，Haedong Kim，Sophie Seidel，James F. Acosta-Clark，Beth K. Martin，Kyle O'Connor，Riza M. Daza，Molly Gasperini，Jenny F. Nathans，Maggie Lam，Elena Gamo，Shruthi Vijay Kumar，Lauren Kuo，Jean-Benoît Lalanne，Kamen Simeonov，Marion Pepper，Cole Trapnell，Jesse M. Gray，Junhong Choi，Chengxiang Qiu，Jay Shendure
bioRxiv 2026.07.29.741625； doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.29.741625
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.29.741625v1?rss=1
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