（原標(biāo)題：為細(xì)胞“立傳” 新技術(shù)追蹤單個(gè)細(xì)胞如何產(chǎn)生完整身體）
生物學(xué)最大的謎題之一是單個(gè)受精卵如何產(chǎn)生眾多組合在一起形成身體的細(xì)胞類型、組織和器官。如今，由單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)和計(jì)算工具構(gòu)成的組合體正在為這一過程提供迄今最詳細(xì)的畫面。在3篇日前在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志的論文中，研究人員報(bào)告稱拍下了正在發(fā)育的斑馬魚或青蛙胚胎中大多數(shù)細(xì)胞基因活性的多個(gè)快照。隨后，他們將這些每隔幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)被采集到的數(shù)據(jù)，集合成關(guān)于這些胚胎如何形成的連貫歷史。
“我的第一反應(yīng)是：‘哇！’”德國(guó)柏林醫(yī)學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)研究所發(fā)育生物學(xué)家Robert Zinzen表示。不久前，另外兩篇在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志的論文追蹤了一種簡(jiǎn)單扁蟲——渦蟲在被切成小塊后再生過程中的細(xì)胞基因活性。不過，Zinzen 介紹說，對(duì)于脊椎動(dòng)物來說，“復(fù)雜性要高很多”。
然而，研究人員成功追蹤了上千個(gè)細(xì)胞及其后代慢慢浮現(xiàn)出來的身份?！拔艺J(rèn)為，發(fā)育生物學(xué)的未來將是對(duì)胚胎進(jìn)行常規(guī)的單細(xì)胞測(cè)序?！蔽挥诤５卤さ臍W洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)家Detlev Arendt表示。
所有這些研究均從將不同階段的胚胎放在特定溶液中慢慢溶解開始，然后晃動(dòng)或者攪拌它們，直到自由的單個(gè)細(xì)胞出現(xiàn)。對(duì)于每個(gè)細(xì)胞來說，研究人員隨后會(huì)確定所有信使RNA（mRNA）鏈的序列。mRNA反映的是被轉(zhuǎn)錄的基因。
在美國(guó)哈佛大學(xué)，由Allon Klein、Marc Kirschner和Sean Megason領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)聚焦的是兩種被發(fā)育生物學(xué)家研究了數(shù)十年的脊椎動(dòng)物——斑馬魚和青蛙。在一項(xiàng)研究中，Klein和Megason分析了約9.2萬個(gè)斑馬魚細(xì)胞，并且收集了來自7種不同胚胎階段的mRNA數(shù)據(jù)。該團(tuán)隊(duì)從剛形成4個(gè)小時(shí)的胚胎入手，并且在胚胎受精后的24個(gè)小時(shí)結(jié)束測(cè)序。此時(shí)，最基本的器官已經(jīng)開始出現(xiàn)。每個(gè)細(xì)胞的基因活性模式揭示了其發(fā)育路徑以及最終的身份。
為追蹤細(xì)胞及其后代如何隨著時(shí)間流逝發(fā)生改變，研究人員在一些單細(xì)胞斑馬魚胚胎上安裝了基因示蹤劑：被注射進(jìn)胚胎細(xì)胞質(zhì)的很多獨(dú)特的微小DNA片段。隨著細(xì)胞在不斷成長(zhǎng)的胚胎中一再分裂，這些“條形碼”找到了進(jìn)入細(xì)胞核的路徑并且被納入到細(xì)胞質(zhì)中。等到試驗(yàn)結(jié)束，每個(gè)細(xì)胞譜系最終擁有了獨(dú)特的“條形碼”組合。通過將這一信息和基因活性進(jìn)行融合，研究團(tuán)隊(duì)能實(shí)時(shí)追蹤細(xì)胞命運(yùn)，以便確定受精卵如何產(chǎn)生各種分化細(xì)胞，比如心臟、神經(jīng)和皮膚。
在另一項(xiàng)獨(dú)立的研究中，由哈佛大學(xué)發(fā)育生物學(xué)家Alexander Schier領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了自己的計(jì)算方法，用于追蹤正在發(fā)育成熟的斑馬魚的細(xì)胞。該團(tuán)隊(duì)在早期胚胎生長(zhǎng)的9個(gè)小時(shí)里每隔45分鐘進(jìn)行細(xì)胞取樣并對(duì)這些細(xì)胞的mRNA進(jìn)行測(cè)序后，軟件通過獲取完全分化細(xì)胞的基因活性并且分析哪些細(xì)胞擁有最相似的基因活性，重構(gòu)了每個(gè)細(xì)胞的“傳記”。該系統(tǒng)可向后推導(dǎo)每個(gè)胚胎階段，直到最開始的未分化細(xì)胞。
Schier表示，重構(gòu)結(jié)果表明，初始的單細(xì)胞胚胎產(chǎn)生了25種主要的細(xì)胞類型。
此項(xiàng)分析引發(fā)了一些震驚。發(fā)育生物學(xué)家曾認(rèn)為，一旦細(xì)胞朝著變成諸如肌肉細(xì)胞的路徑前進(jìn)，便不會(huì)再發(fā)生偏離。然而，Schier和同事報(bào)告稱，基因活性的變化顯示，一些斑馬魚細(xì)胞在中途轉(zhuǎn)向并形成不同的類型?！罢麄€(gè)畫面比我們想象的復(fù)雜很多。”Megason表示。
對(duì)于熱帶爪蟾（青蛙的一種）來說，Kirschner和Klein在胚胎受精后的5~22個(gè)小時(shí)里對(duì)10個(gè)不同階段進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測(cè)序。該團(tuán)隊(duì)最終讀取了13.7萬個(gè)細(xì)胞的mRNA?；蚧钚詳?shù)據(jù)顯示，即便在青蛙胚胎看上去是未分化的一團(tuán)時(shí)，它們的細(xì)胞也開始呈現(xiàn)最終的身份。
當(dāng)Klein、Kirschner和Megason比較了針對(duì)青蛙和斑馬魚的研究結(jié)果時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了令人震驚的差異。例如，特定細(xì)胞類型的發(fā)育路徑因物種不同而出現(xiàn)很大變化。同時(shí)，盡管關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子基因的活性在常見細(xì)胞類型中相似，但在一些細(xì)胞類型中其他基因的活性遠(yuǎn)超之前研究人員認(rèn)為的兩個(gè)物種之間的差異。
此類研究還可能為想制造新細(xì)胞類型的干細(xì)胞科學(xué)家和組織工程師提供了“菜譜”。華盛頓大學(xué)發(fā)育生物學(xué)家David Kimelman認(rèn)為，最新結(jié)果“在理解發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域最基本問題方面，真的是一大力作和壯舉”。（宗華）
本文來源：科學(xué)網(wǎng)