编撰 | 迦    溆

责编 | 狄德罗

这些成果改写了传统发育生物学关于细胞命运决定的理论。

一个受精卵是如何从单细胞发育、分化为大量不同类型的细胞、组织和器官，最终构成一个完整的生命体的？这一直是生物学领域中一个很大的谜团。由于技术和方法的制约，这个谜团过去一直无法解开。

近几年，单细胞测序在国内外如火如荼。单单是今年，国内单细胞测序就有好些成果，如：浙大郭国骥组Cell报道首个哺乳动物细胞图谱；Nature丨中国学者合作绘制人脑前额叶发育的单细胞图谱并揭示神经元的分化成熟机制；被科研耽误的“诗人”和“歌手”相继发表单细胞组学领域最新研究进展等。

这项技术为人类解开受精卵发育分化之谜照亮了一线曙光。如今，单细胞测序技术结合计算生物学，已经可以描绘单个受精卵逐步发育分化的详细转录图谱了。人们发现，单细胞的特异性分化本质上是一个个转录事件的调控。

就在4月26日，Science杂志同时发表了三篇研究长文（Research Article），研究人员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，将相关数据以几分钟到几小时的时间间隔组合在一起，对细胞进行逐个描述，并观察胚胎最终形成的过程，从而建立起完整的路线图，揭示了单个细胞构建整个生物体的完整过程。

这三篇论文都来自哈佛大学，其中哈佛医学院系统生物学系的Allon M. Klein团队贡献了两篇，他们分别测定了斑马鱼和蛙胚胎发育过程中的单细胞转录图谱；而哈佛大学分子细胞生物学系/Broad 研究所的 Aviv Regev和Alexander F. Schier联合团队贡献了斑马鱼胚胎发育单细胞转录测序图谱。同时，Science杂志也配发了题为 Chronicling embryos, cell by cell, gene by gene 的点评。

两篇论文的通讯作者Allon Klein（哈佛医学院系统生物学系助理教授）在哈佛医学院官方新闻中表示，“通过单细胞测序，我们现在可以在一天的工作中重述过去数十年来关于生命早期阶段细胞命运决定的研究（With single-cell sequencing, we can, in a day’s work, recapitulate decades of painstaking research on the decisions cells make at the earliest stages of life）”。【1】

单细胞测序中的一个过程。图片来自Klein lab。

Science杂志的评论中提到，德国柏林系统生物医学研究所的发育生物学家Robert Zinzen得知这三篇论文后的第一反应是“哇！”，因为一周前Science杂志发表的两项单细胞测序图谱工作还只是从扁虫动物（Schmidtea mediterranea）而得到的。这种低等动物具有极好的再生能力，不论人们在哪里切断它们，它们都能利用体内的干细胞再生出头和其它部位，而脊椎动物中的“复杂性要高得多”。

由Allon Klein、Marc Kirschner和Sean Megason领导的哈佛研究团队专注于斑马鱼和青蛙的研究，这两种动物是发育生物学家数十年来研究的代表性脊椎动物。在斑马鱼的研究中，Klein和Megason等人分析了超过92,000个斑马鱼细胞，从七个不同的胚胎阶段收集mRNA数据（从4小时的胚胎开始到受精后24小时结束，24小时是基本器官开始出现的阶段）。每个细胞的基因表达活动模式都反映了它的发展方向，直至它的最终身份。

那么随着时间的推移，如何追踪细胞及后代的变化呢？研究人员将一些由独特的小片段DNA组成的“示踪分子”（条形码）注射到胚胎的胞质中，随着胚胎发育，这些条形码进入细胞核并融入染色体中，等到实验结束时，每个细胞谱系都带有独特的条形码。通过将条形码与基因表达信息结合分析，研究人员就可以追踪细胞的命运，观察受精卵如何逐渐分化成各种类型的细胞，例如构成心脏、神经和皮肤的细胞。

在另一项由哈佛大学Alexander F. Schier等人领导的研究中，研究人员在单细胞水平检测了38,731个斑马鱼胚胎细胞并创建了一套计算方法，跟踪了25种细胞类型（采用Drop-seq测序方法）。研究人员在斑马鱼早期生长的9小时中，每45分钟取一次样对细胞进行测序，然后用软件重构细胞基因活动的状态。

通过数据分析，研究人员也获取到一些有违发育理论的现象。例如，过去的发育生物学家认为，一旦细胞开始走向某些类型，细胞的状态就不会偏离，但是Alexander F. Schier等人的研究发现，一些斑马鱼细胞会在中途转换成为另一种不同的类型。Sean Megason也表示：“目前获得的数据图谱远比我们想象的要复杂得多”。

斑马鱼胚胎。红色和绿色荧光反应不同类型的组织，蓝色是细胞的DNA。图片来源于JEFFREY FARRELL。

在另一项由Kirschner和Klein带领的关于非洲爪蟾研究中，研究人员对受精后5至22小时的10个胚胎期中136,977个细胞进行了单细胞RNA测序。基因表达数据显示，即使蛙胚胎看起来是未分化的一团，其细胞也开始呈现其最终特征，例如尾巴。而当Klein、Kirschner和Megason一同比较蛙和斑马鱼的结果时，惊讶地发现了一些差异。例如，某些细胞类型的发育途径因物种而异。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，但是在某些细胞类型中，其他基因的表达活性在两个物种之间的差异超出了研究人员的预期。

出人意料的发现还有：在单细胞水平上，尽管突变体细胞丢失了某些必需的信号通路，但是和野生型的基因表达似乎是相同的。然而，不同细胞类型的比例却发生了变化。

Science发表的最新研究将会非常有用，特别是在再生医学领域，研究人员可以更好地致力于将干细胞转化为特定的功能细胞、组织或器官。可以说，这些研究为干细胞学家和组织工程学家提供了一份手册，让他们能够根据“配方”制作新的细胞类型。

美国华盛顿大学（西雅图）的发育生物学家David Kimelman表示，这些最新的研究结果称得上是“力作”，是“理解发育生物学基本问题的重大成果”。（ ...are a real tour-de-force effort and a major accomplishment in being able to understand one of the fundamental questions in developmental biology.）

另据哈佛官网的消息，这三篇文章涉及的多个研究小组彼此之间并无竞争性关系，而是相互协调联系，因此，这三篇论文具有很好的互补性，并且还强调了不同文章中的复杂数据分析可以有不同的分析结果和解读方式。

1、https://hms.harvard.edu/news/one-many

2、Plass, M., Solana, J., Wolf, F. A., Ayoub, S., Misios, A., Glažar, P., ... & Rajewsky, N. (2018). Cell type atlas and lineage tree of a whole complex animal by single-cell transcriptomics. Science, eaaq1723.

3、Fincher, C. T., Wurtzel, O., de Hoog, T., Kravarik, K. M., & Reddien, P. W. (2018). Cell type transcriptome atlas for the planarian Schmidtea mediterranea. Science, eaaq1736.

4. http://science.sciencemag.org/content/360/6387/367.full

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