发育生物学家的梦想更近了丨学者解读

BioArt按：前不久，Science杂志一共发表了5篇研究论文聚焦单细胞测序与发育图谱，特别是4月26日，其中的三篇研究长文用单细胞测序技术分别在斑马鱼和蛙早期胚胎发育过程中建立了基因表达动态图谱（里程碑丨3篇Science运用单细胞测序技术破解早期胚胎发育之谜，打破发育生物学传统认识），相关成果改写了传统发育生物学中有关细胞命运决定的理论，被称为是“理解发育生物学基本问题的里程碑式的重大成果”。为了让读者更好的理解该系列工作的重要意义，BioArt特别邀请到了从事发育研究的浙江大学徐鹏飞教授（http://mypage.zju.edu.cn/pengfeixu）进行了深度点评，以飨读者！

斑马鱼。图片来源于网络

撰文丨徐鹏飞（浙江大学）

责编丨迦   溆

在脊椎动物胚胎发育的过程中，全能的干细胞是如何逐步地分化成多种形态、功能和位置各异的细胞类型的？构建一棵能够跟踪观察从受精卵到成体的每个细胞命运转化路径的全息四维生命之树，也许是每个发育生物学研究者的梦想；利用发育生物学和分子生物学等研究手段，这棵生命之树的雏形已经逐渐的被显现出来，在此基础上，单细胞分析技术（包括单细胞测序技术和单细胞成像技术等）和计算生物学的发展，让我们离实现这一梦想更加的接近了；而哈佛医学院系统生物学系无疑是最适合完成这一使命的科学中心之一。

为什么哈佛医学院系统生物学系最适合做这项伟大的工作呢？原来其系主任是著名的细胞和发育生物学家Marc Kirschner（美国科学院院士），在创建并主持了哈佛医学院细胞生物学系十年之后，Marc Kirschner于2003年开创了系统生物学系，笔者的一位师长曾开玩笑的说：“Marc是一个乍一接触会让你感觉不那么聪明的人，但是事实上他真的非常非常聪明。”

Marc Kirschner（Credit: Jason varney ）

Marc Kirschner对科学的贡献除了在细胞和发育生物学的几乎各个方向上都有开创性发现，还培养了一大批杰出的科学家，这三篇Science文章中两篇的通讯作者Allon Klein，之前就是Kirschner实验室的博士后，正是他最早发明了“inDrop-seq”的方法（2015，Cell）；另一位通讯作者Sean Megason也是Kirschner招募至系统生物学系， Megason实验室最主要的研究方向，是利用活体成像的方法，在斑马鱼系统中研究形态发生的机理，主要的研究手段被他称为“in toto imaging”，即追踪整个斑马鱼胚胎的分子、细胞和组织的动态信息，“in toto”加“inDrop”便产生了这两篇文章。

另外，Klein和Megason这两个实验室都有非常专业的计算生物学人才，笔者认为这也是哈佛系统生物学系最大的特征之一-大于三分之一的PI、研究生和博士后的专业背景是纯正的数学、物理或者化学，希望中国早日有这样的科学中心出现。第三篇文章的通讯作者Alex Shier在斑马鱼领域成名已久，实验室在哈佛本部（据悉最近搬到了瑞士巴塞尔大学），与前述两个实验室交流也很频繁，不再过多介绍。

这三篇文章，应用了爪蟾和斑马鱼这两种模式生物，选取不同的时间段和时间间隔，进行了系统的单细胞转录组分析。第一篇斑马鱼的文章选取了从受精后4小时至24小时的7个时相，时间间隔为2-6个小时不等，包括了原肠运动、体节生成和早期器官生成的几个胚胎发育早期的最重要时期；另一篇斑马鱼的文章则选取了从3.3小时至12小时的12个时相，时间间隔小于一个小时，这两篇文章的数据正好起到互相印证和补充的作用；另一篇爪蟾的文章的时相为受精后5小时至22小时，与第一篇斑马鱼的文章相对应，并对斑马鱼和爪蟾的单细胞数据进行了比较。

通过各自不同的计算方法，这些工作除了为我们描绘出了斑马鱼和爪蟾早期发育相对较“全景”的动态图谱，通过比较分析，也得出了一些令人意想不到的发现：

1.  至少在斑马鱼胚胎中，早期细胞的分化图谱并不是“树状”的，或者和我们想象的经典的“树状”不同。首先，各种细胞类型在早期界限并不那么清楚，也就说“分枝”较晚；另外，不同分枝的细胞可以相互连通，也就是说处于不同分化路径上的细胞在发育过程中命运可以发生转换；

2. 在三个胚层形成的过程中，“轴”中胚层与其他中胚层细胞分开的时间，与外胚层和中胚层分开的时间相同！这是否意味着“轴”中胚层将来可以被认为是一个单独的胚层？这可能会改变我们对早期发育的理解方式；

3. 突变体中并没有新的细胞类型产生，而只是缺失了该信号调控的那一部分细胞；

4. 尽管斑马鱼和爪蟾的细胞谱系有很高的保守性，但某些细胞，如一些表皮细胞只在爪蟾中存在，这从某种程度上反映出了两个物种发育环境的不同。

在不同物种间，比较不同发育阶段全胚胎的单细胞数据，必将帮助我们更好的理解物种演化的规律；在完全去除一条信号通路的情况下，比较全胚胎的单细胞转录水平的变化，也将会让我们发现新的信号通路相互作用的规律，这些都在以上文章中进行了初步的探索。同时，正如这三篇文章中提到的那样，一些技术困难，比如细胞在胚胎中位置信息的缺失、在胚胎打散过程中细胞的丢失、对于表达迅速变化的基因的捕捉以及表达量较低但非常重要的基因的检测等，都是下一步需要改进的地方，相信结合单细胞成像技术，这些困难都会被一一解决。

总的来说，这三篇文章可以说是单细胞研究脊椎动物胚胎早期发育的奠基之作，也可以说拉开了从单细胞水平上研究发育的序幕，正如Science同期评论文章中Detlev Arendt博士所提到的那样，单细胞分析将成为发育生物学研究的常规手段。

参考文献：

1、Klein, A. M., Mazutis, L., Akartuna, I., Tallapragada, N., Veres, A., Li, V., ... & Kirschner, M. W. (2015). Droplet barcoding for single-cell transcriptomics applied to embryonic stem cells. Cell, 161(5), 1187-1201.

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