新技術追蹤單個細胞如何產生完整身體

生物學最大的謎題之一是單個受精卵如何產生眾多組合在一起形成身體的細胞類型、組織和器官。如今，由單細胞測序技術和計算工具構成的組合體正在為這一過程提供迄今最詳細的畫面。在3篇日前在線發表于《科學》雜志的論文中，研究人員報告稱拍下了正在發育的斑馬魚或青蛙胚胎中大多數細胞基因活性的多個快照。隨后，他們將這些每隔幾分鐘到幾個小時被采集到的數據，集合成關于這些胚胎如何形成的連貫歷史。

“我的第一反應是：‘哇！’”德國柏林醫學系統生物學研究所發育生物學家Robert Zinzen表示。不久前，另外兩篇在線發表于《科學》雜志的論文追蹤了一種簡單扁蟲——渦蟲在被切成小塊后再生過程中的細胞基因活性。不過，Zinzen 介紹說，對于脊椎動物來說，“復雜性要高很多”。

然而，研究人員成功追蹤了上千個細胞及其后代慢慢浮現出來的身份。“我認為，發育生物學的未來將是對胚胎進行常規的單細胞測序。”位于海德堡的歐洲分子生物學實驗室進化發育生物學家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，然后晃動或者攪拌它們，直到自由的單個細胞出現。對于每個細胞來說，研究人員隨后會確定所有信使RNA（mRNA）鏈的序列。mRNA反映的是被轉錄的基因。

在美國哈佛大學，由Allon Klein、Marc Kirschner和Sean Megason領導的團隊聚焦的是兩種被發育生物學家研究了數十年的脊椎動物——斑馬魚和青蛙。在一項研究中，Klein和Megason分析了約9.2萬個斑馬魚細胞，并且收集了來自7種不同胚胎階段的mRNA數據。該團隊從剛形成4個小時的胚胎入手，并且在胚胎受精后的24個小時結束測序。此時，最基本的器官已經開始出現。每個細胞的基因活性模式揭示了其發育路徑以及最終的身份。

為追蹤細胞及其后代如何隨著時間流逝發生改變，研究人員在一些單細胞斑馬魚胚胎上安裝了基因示蹤劑：被注射進胚胎細胞質的很多獨特的微小DNA片段。隨著細胞在不斷成長的胚胎中一再分裂，這些“條形碼”找到了進入細胞核的路徑并且被納入到細胞質中。等到試驗結束，每個細胞譜系最終擁有了獨特的“條形碼”組合。通過將這一信息和基因活性進行融合，研究團隊能實時追蹤細胞命運，以便確定受精卵如何產生各種分化細胞，比如心臟、神經和皮膚。

在另一項獨立的研究中，由哈佛大學發育生物學家Alexander Schier領導的團隊創建了自己的計算方法，用于追蹤正在發育成熟的斑馬魚的細胞。該團隊在早期胚胎生長的9個小時里每隔45分鐘進行細胞取樣并對這些細胞的mRNA進行測序后，軟件通過獲取完全分化細胞的基因活性并且分析哪些細胞擁有最相似的基因活性，重構了每個細胞的“傳記”。該系統可向后推導每個胚胎階段，直到最開始的未分化細胞。

Schier表示，重構結果表明，初始的單細胞胚胎產生了25種主要的細胞類型。

此項分析引發了一些震驚。發育生物學家曾認為，一旦細胞朝著變成諸如肌肉細胞的路徑前進，便不會再發生偏離。然而，Schier和同事報告稱，基因活性的變化顯示，一些斑馬魚細胞在中途轉向并形成不同的類型。“整個畫面比我們想象的復雜很多。”Megason表示。