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| 導(dǎo)讀 | 一個受精卵究竟是如何產(chǎn)生構(gòu)成完整身體的多種細(xì)胞類型、組織和器官的？這是生物學(xué)領(lǐng)域zui大的謎題之一。如今，結(jié)合單細(xì)胞測序技術(shù)和新型計算工具，來自哈佛大學(xué)、Broad研究所等機構(gòu)的科學(xué)家們提供了關(guān)于這一過程zui詳細(xì)的圖片。4月26日，Science雜志用3篇論文報道了這一突破性成果。 |
為了追蹤數(shù)千個細(xì)胞及其后代的新身份，研究者們首先在特殊的溶液中溫和地溶解不同階段的胚胎，接著搖晃或攪拌胚胎溶解物以釋放單個細(xì)胞，之后測定每個細(xì)胞所有信使RNA（mRNA，反應(yīng)了基因被轉(zhuǎn)錄的情況）鏈的序列。在獲得了“正在發(fā)育的斑馬魚或青蛙胚胎中大部分細(xì)胞中基因活性的多個快照”后，他們zui終拼湊出了胚胎形成的連貫歷史。
三篇論文
圖片來源：Science（DOI: 10.1126/science.aar5780）
圖片來源：Science（DOI: 10.1126/science.aar4362）
3篇論文中，題為“The dynamics of gene expression in vertebrate embryogenesis at single-cell resolution”和“Single-cell mapping of gene expression landscapes and lineage in the zebrafish embryo”的論文是由哈佛醫(yī)學(xué)院的Allon Klein、Marc Kirschner和Sean Megason領(lǐng)導(dǎo)的團隊完成的。他們專注于研究斑馬魚和青蛙，這也是發(fā)育生物學(xué)家研究了幾十年的兩種脊椎動物。
在斑馬魚研究中，Klein 和Megason分析了約92,000個斑馬魚細(xì)胞，收集了來自7個不同胚胎階段的mRNA數(shù)據(jù)。研究小組從發(fā)育了4小時的胚胎開始調(diào)查，在受精后24小時（這是基本器官開始出現(xiàn)的時間點）結(jié)束。每個細(xì)胞的基因活動模式表明了它的發(fā)展方向，并zui終揭示了它的身份。
In a close-up of a zebrafish embryo, green and red fluorescence marks cells specializing into different tissues.(Blue highlights cellular DNA.) 圖片來源：Science
為了追蹤細(xì)胞及其后代是如何隨時間變化的，研究人員給一些單細(xì)胞魚胚胎（single-cell fish embryo）植入了基因示蹤劑（genetic tracers）：許多微小的*DNA片段被注入到胚胎的細(xì)胞質(zhì)中。當(dāng)細(xì)胞在不斷成長的胚胎中反復(fù)分裂時，這些“條形碼”（barcodes，也就是基因示蹤劑）會進入細(xì)胞核，并被“合并”到染色體中。實驗結(jié)束時，每個細(xì)胞譜系zui終都會形成一個*的條形碼組合。通過將這些信息與基因活動特征（gene activity profiles）結(jié)合起來，研究小組能夠通過時間來追蹤細(xì)胞的命運，看看一個受精卵是如何產(chǎn)生各種特殊細(xì)胞的，如心臟細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞和皮膚細(xì)胞。
圖片來源：Science（DOI: 10.1126/science.aar3131）
在題為“Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis”的第3篇論文中，哈佛大學(xué)的發(fā)育生物學(xué)家Alexander Schier開發(fā)了自己的計算方法，以追蹤成熟斑馬魚中的細(xì)胞。
在研究小組對胚胎早期生長階段的細(xì)胞進行取樣（在胚胎發(fā)育zui初的9個小時中，每45分鐘取一次樣），以及對這些細(xì)胞的mRNA進行測序后，軟件能夠通過提取*分化的細(xì)胞的基因活性并分析在次老胚胎（the next-oldest embryo）中哪些細(xì)胞具有zui相似的基因活動特征譜來重建每個細(xì)胞的發(fā)育史。zui終，Schier等證實，zui初的單細(xì)胞胚胎（initial one-celled embryo）能夠產(chǎn)生25種主要的細(xì)胞類型。
意外發(fā)現(xiàn)
作者們指出，這些分析也產(chǎn)生了一些意外。發(fā)育生物學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，一旦一個細(xì)胞開始沿著一個方向發(fā)展（如發(fā)育成一個肌肉細(xì)胞），那它就不會“偏離”這個方向。然而，這項新研究發(fā)現(xiàn)，一些斑馬魚細(xì)胞會在“半路”轉(zhuǎn)向另一個發(fā)展方向（即，發(fā)育成不同的細(xì)胞類型）。“‘這幅畫’比我們想象的要復(fù)雜得多。”Megason感慨道。
物種差異
在青蛙（Xenopus tropicalis）研究中，Kirschner和Klein對受精后5到22小時內(nèi)的10個胚胎階段進行了單細(xì)胞RNA測序分析。他們的團隊zui終讀取了137,000個細(xì)胞的mRNA。基因活動數(shù)據(jù)顯示，即使青蛙胚胎看起來還只是一個未分化的團（blob），它的細(xì)胞也已經(jīng)開始接受它們的zui終身份了。
在比較青蛙和斑馬魚的結(jié)果時，Klein等發(fā)現(xiàn)了驚人的差異，例如，某些細(xì)胞類型的發(fā)育路線會因物種而異。此外，雖然關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子基因的活性在兩個物種的普通細(xì)胞類型中是相似的，但這兩個物種之間，某些細(xì)胞類型中的其他基因的活性差異比研究人員預(yù)期的要大得多。
同行評價
柏林醫(yī)學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)研究所的發(fā)育生物學(xué)家Robert Zinzen說：“看到這些成果，我的*反應(yīng)是：Wow！盡管不久前Science剛剛報道了研究人員在被切碎后再生的渦蟲（簡單的扁形蟲，無脊椎）中追蹤cell-by-cell基因活性的成果，但在脊椎動物中，復(fù)雜性要高得多。”
美國華盛頓大學(xué)的發(fā)育生物學(xué)家David Kimelman則表示，這些新成果是一項重要成就，能夠幫助理解發(fā)育生物學(xué)中關(guān)鍵的基礎(chǔ)問題。
責(zé)編：風(fēng)鈴
參考資料：
How one cell gives rise to an entire body
Chronicling embryos, cell by cell, gene by gene
13916499749
