《Science》發三文揭示胚胎圖譜最新進展，描繪每個細胞的成長軌跡

05-05

科學家們一直希望能夠儘可能完整地記錄胚胎從單細胞到成形肌體的發育旅程。

4月26日，馬薩諸塞州波士頓哈佛醫學院的系統生物學家 Sean Megason等人在Science發表了三篇論文闡述了一項相關的新研究——他們在斑馬魚、青蛙等胚胎的大部分細胞中，對其基因活動進行了多次追蹤，最終帶來一個胚胎是如何形成的完整細胞史。

此研究將有助於科研人員追蹤胚胎髮育的關鍵階段，從而幫助人們認識自閉症、癌症等疾病。斯德哥爾摩卡羅林斯卡研究所的神經科學家Sten Linnarsson說，三分之一的神經系統疾病在胚胎髮育時就已初露端倪：「他們可能很早就發生了。」

圖丨研究人員密切追蹤青蛙及斑馬魚的胚胎（圖示）以研究更詳細的發育細節

Sean Megason說，這些研究結果所描繪出的發育模式比許多教科書中描述的要更流暢。他說：「細胞狀態常常是連續的，但發育發生時間並不相同，有時候，我們甚至來不及觀察。」

研究人員曾試圖描繪這樣的基因表達圖，但多年以來，他們的關注點始終停留在單個或幾個細胞上。DNA測序及計算機演算法技術的進步使得科學家可以分析單個細胞內數千個基因的表達。這也引發了將這些技術應用於發育生物學的熱潮。例如，去年7月，位於華盛頓州西雅圖的Paul G. Allen Frontiers Group宣布，它將在四年內為應用此類方法創建細胞發育圖譜的研究項目提供 1,000 萬美元的支持。

2012年，在哈佛醫學院系統生物學家Allon Klein首次開始制定單細胞RNA測序方法時，他就希望能夠製作出這樣的詳細圖譜。但他表示，那時候，大家都認為不可能。「現在的情形與我們剛開始時截然不同了。」

在最新研究中，Klein領導的小組和哈佛醫學院的系統生物學家Marc Kirschner一起逐個分析了西方爪蛙胚胎（熱帶非洲爪蟾）在17個小時胚胎髮育過程中140,000個細胞的基因表達。

除此之外，Klein 還與 Megason 等人合作，收集了一天內斑馬魚胚胎中的92,000個細胞並繪製出了其基因表達，一天的時間足以使細胞發育為一個有心跳的胚胎了。

馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學和麻省理工學院 Broad 研究所的計算機生物學家Aviv Regev 和哈佛大學的發育生物學家 Alexander Schier 則分析了斑馬魚胚胎髮育前 12 個小時的近 39,000 個細胞。

當Klein、Kirschner和Megason比較青蛙和斑馬魚的結果時，他們發現了驚人的差異。例如，某些細胞類型的發育路線因物種而異。雖然關鍵轉錄因子基因的活性在普通細胞類型中是相似的，但在某些細胞類型中，其他基因的活性比研究人員所期望的兩種類型的活性差異更大。

對胚胎長時間的追蹤使得研究人員能夠觀察到細胞的具體分工，比如，發育為神經組織或是皮膚。Schier說，細胞在胚胎中的位置看似早已決定了他們的命運。

「細胞比我們想像的更具可塑性，」他說，「實際上，細胞發育方向發生轉換可能是非常常見的。」

研究人員將他們繪製的圖譜存入資料庫，這樣，其他人就可以通過檢索資料庫，找出基因的表達位置及其處於的發展階段。加州大學爾灣分校的發育生物學家Thomas Schilling希望挖掘有關神經嵴發育信息的數據。所謂神經嵴是一種在脊椎動物中發現的結構，可發育為包括腦細胞在內的多種細胞。Schilling說，「找出細胞不同分工的確定時間和過渡狀態是讓我們最感興趣的，」並補充道，他的實驗室可能會考慮進行一個更專門針對神經嵴發育的類似實驗。

在技術和演算法較為成熟的今天，Klein希望，這些方法能夠廣泛應用於更多生物，從而更好了解進化對發育的影響。他說，最初，其研究小組專註於脊椎動物，這是因為它們的進化過程與人類很相似。現在，他希望，研究能夠向包括無脊椎動物如小刺蝟和橡子蠕蟲在內的「遠房親戚」拓展，從而找出脊髓的演變過程。「了解進化是如何動態調整發育基因表達，從而產生新的細胞類型和器官，這非常有趣，」他如是說。

這樣的研究也可以為幹細胞科學家和組織工程師提供一本參考書。西雅圖華盛頓大學的發育生物學家David Kimelman說，新的研究成果「是能夠幫助人類理解發育生物學中的基本問題的重大成就。」