新技术追踪单个细胞如何产生完整身体

生物学中最大的难题之一是一个受精卵是如何产生多种细胞类型、组织和器官来组成身体的。今天，单细胞测序技术和计算工具的结合提供了迄今为止最详细的过程。在《科学》杂志最近在线发表的三篇论文中，研究人员报告称，在斑马鱼或青蛙胚胎发育过程中，拍摄了大多数细胞基因活动的多个快照。然后，他们将每隔几分钟到几小时收集的数据汇集成一个连贯的胚胎形成历史。

“我的第一反应是:‘哇！’德国柏林医疗系统生物学研究所的发展生物学家Robert Zinzen说。不久前，《科学》杂志在线发表的另外两篇论文追踪了一种简单的扁形虫——涡虫——在被切成小块后的再生过程中的细胞基因活性。然而，津曾说，对于脊椎动物来说，“复杂性要高得多。”

然而，研究人员成功地追踪了成千上万慢慢出现的细胞及其后代的身份。"我相信发育生物学的未来将是常规的胚胎单细胞测序."海德堡欧洲分子生物学实验室的进化发育生物学家德特勒夫·阿伦特说。

所有这些研究都是从将不同阶段的胚胎缓慢溶解在特定的溶液中开始的，然后摇动或搅拌它们，直到出现*的单个细胞。对于每个细胞，研究人员将确定所有信使核糖核酸链的序列。信使核糖核酸反映转录的基因。

在哈佛大学，由艾伦·克莱恩、马克·柯什纳和肖恩·梅加森领导的团队集中研究了两种脊椎动物——斑马鱼和青蛙，这两种脊椎动物是发育生物学家研究了几十年的。在一项研究中，克莱恩和梅加森分析了大约92000个斑马鱼细胞，并收集了7个不同胚胎阶段的基因表达数据。该团队从一个4小时大的胚胎开始，在受精后24小时完成测序。此时，最基本的器官已经开始出现。每个细胞的基因活动模式揭示了它的发展路径和最终身份。

为了追踪细胞及其后代如何随时间变化，研究人员在一些单细胞斑马鱼胚胎上安装了基因跟踪器:许多独特的微小DNA片段被注入胚胎的细胞质。随着细胞在发育中的胚胎中反复分裂，这些“条形码”进入细胞核，并被整合到细胞质中。实验结束时，每个细胞谱系最终都有一个独特的“条形码”组合。通过将这些信息与基因活动相结合，研究小组可以实时跟踪细胞命运，以确定受精卵如何产生各种分化细胞，如心脏、神经和皮肤。

在另一项独立研究中，由哈佛大学发育生物学家亚历山大·席尔领导的团队创造了自己的计算方法来追踪发育中的斑马鱼细胞。在早期胚胎生长的9个小时中，该团队每45分钟采集一次细胞样本，并对这些细胞的基因序列进行测序，之后，该软件通过获得完全分化细胞的基因活性并分析哪些细胞具有最相似的基因活性来重建每个细胞的“传记”。该系统可以追溯每个胚胎阶段，直到第一个未分化细胞。

席尔说，重建结果显示，最初的单细胞胚胎产生了25种主要的细胞类型。

这一分析引起了一些震惊。发育生物学家曾经认为，一旦细胞朝着像肌肉这样的细胞的方向移动，就不会有进一步的偏离。然而，席尔和他的同事报告说，基因活性的变化表明，一些斑马鱼细胞在中间转变并形成不同的类型。"整个情况比我们想象的要复杂得多。"梅加森说。

对于热带爪蟾(一种青蛙)，基尔希纳和克莱恩在胚胎受精后5-22小时内对10个不同阶段的单细胞核糖核酸进行了测序。该团队最终读取了137，000个细胞的基因。遗传活动数据显示，即使青蛙胚胎看起来未分化，它们的细胞也开始呈现出最终的身份。

当克莱恩、柯尔施纳和梅加森比较青蛙和斑马鱼的研究结果时，他们发现了惊人的差异。例如，特定细胞类型的发育途径因物种而异。同时，尽管关键转录因子基因的活性在普通细胞类型中是相似的，但是在一些细胞类型中其他基因的活性远远超过了研究者先前认为的两个物种之间的差异。

这种研究也可能为想要创造新细胞类型的干细胞科学家和组织工程师提供“配方”。华盛顿大学的发育生物学家大卫·金默曼认为，最新的结果“在理解发育生物学领域最基本的问题上确实是一个巨大的努力和壮举”。(宗华)