Science重大突破：哈佛科學(xué)家揭示“胚胎發(fā)育”Z詳細(xì)過(guò)程

為了追蹤數(shù)千個(gè)細(xì)胞及其后代的新身份，研究者們首先在特殊的溶液中溫和地溶解不同階段的胚胎，接著搖晃或攪拌胚胎溶解物以釋放單個(gè)細(xì)胞，之后測(cè)定每個(gè)細(xì)胞所有信使RNA（mRNA，反應(yīng)了基因被轉(zhuǎn)錄的情況）鏈的序列。在獲得了“正在發(fā)育的斑馬魚或青蛙胚胎中大部分細(xì)胞中基因活性的多個(gè)快照”后，他們zui終拼湊出了胚胎形成的連貫歷史。

三篇論文

圖片來(lái)源：Science（DOI: 10.1126/science.aar5780）

圖片來(lái)源：Science（DOI: 10.1126/science.aar4362）

3篇論文中，題為“The dynamics of gene expression in vertebrate embryogenesis at single-cell resolution”和“Single-cell mapping of gene expression landscapes and lineage in the zebrafish embryo”的論文是由哈佛醫(yī)學(xué)院的Allon Klein、Marc Kirschner和Sean Megason*的團(tuán)隊(duì)完成的。他們專注于研究斑馬魚和青蛙，這也是發(fā)育生物學(xué)家研究了幾十年的兩種脊椎動(dòng)物。

在斑馬魚研究中，Klein 和Megason分析了約92,000個(gè)斑馬魚細(xì)胞，收集了來(lái)自7個(gè)不同胚胎階段的mRNA數(shù)據(jù)。研究小組從發(fā)育了4小時(shí)的胚胎開(kāi)始調(diào)查，在受精后24小時(shí)（這是基本器官開(kāi)始出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)）結(jié)束。每個(gè)細(xì)胞的基因活動(dòng)模式表明了它的發(fā)展方向，并zui終揭示了它的身份。

In a close-up of a zebrafish embryo, green and red fluorescence marks cells specializing into different tissues.(Blue highlights cellular DNA.) 圖片來(lái)源：Science

為了追蹤細(xì)胞及其后代是如何隨時(shí)間變化的，研究人員給一些單細(xì)胞魚胚胎（single-cell fish embryo）植入了基因示蹤劑（genetic tracers）：許多微小的*DNA片段被注入到胚胎的細(xì)胞質(zhì)中。當(dāng)細(xì)胞在不斷成長(zhǎng)的胚胎中反復(fù)分裂時(shí)，這些“條形碼”（barcodes，也就是基因示蹤劑）會(huì)進(jìn)入細(xì)胞核，并被“合并”到染色體中。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，每個(gè)細(xì)胞譜系z(mì)ui終都會(huì)形成一個(gè)*的條形碼組合。通過(guò)將這些信息與基因活動(dòng)特征（gene activity profiles）結(jié)合起來(lái)，研究小組能夠通過(guò)時(shí)間來(lái)追蹤細(xì)胞的命運(yùn)，看看一個(gè)受精卵是如何產(chǎn)生各種特殊細(xì)胞的，如心臟細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞和皮膚細(xì)胞。

圖片來(lái)源：Science（DOI: 10.1126/science.aar3131）

在題為“Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis”的第3篇論文中，哈佛大學(xué)的發(fā)育生物學(xué)家Alexander Schier開(kāi)發(fā)了自己的計(jì)算方法，以追蹤成熟斑馬魚中的細(xì)胞。

在研究小組對(duì)胚胎早期生長(zhǎng)階段的細(xì)胞進(jìn)行取樣（在胚胎發(fā)育zui初的9個(gè)小時(shí)中，每45分鐘取一次樣），以及對(duì)這些細(xì)胞的mRNA進(jìn)行測(cè)序后，軟件能夠通過(guò)提取*分化的細(xì)胞的基因活性并分析在次老胚胎（the next-oldest embryo）中哪些細(xì)胞具有zui相似的基因活動(dòng)特征譜來(lái)重建每個(gè)細(xì)胞的發(fā)育史。zui終，Schier等證實(shí)，zui初的單細(xì)胞胚胎（initial one-celled embryo）能夠產(chǎn)生25種主要的細(xì)胞類型。

意外發(fā)現(xiàn)

作者們指出，這些分析也產(chǎn)生了一些意外。發(fā)育生物學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，一旦一個(gè)細(xì)胞開(kāi)始沿著一個(gè)方向發(fā)展（如發(fā)育成一個(gè)肌肉細(xì)胞），那它就不會(huì)“偏離”這個(gè)方向。然而，這項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，一些斑馬魚細(xì)胞會(huì)在“半路”轉(zhuǎn)向另一個(gè)發(fā)展方向（即，發(fā)育成不同的細(xì)胞類型）。“‘這幅畫’比我們想象的要復(fù)雜得多。”Megason感慨道。

物種差異

在青蛙（Xenopus tropicalis）研究中，Kirschner和Klein對(duì)受精后5到22小時(shí)內(nèi)的10個(gè)胚胎階段進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測(cè)序分析。他們的團(tuán)隊(duì)zui終讀取了137,000個(gè)細(xì)胞的mRNA。基因活動(dòng)數(shù)據(jù)顯示，即使青蛙胚胎看起來(lái)還只是一個(gè)未分化的團(tuán)（blob），它的細(xì)胞也已經(jīng)開(kāi)始接受它們的zui終身份了。

在比較青蛙和斑馬魚的結(jié)果時(shí)，Klein等發(fā)現(xiàn)了驚人的差異，例如，某些細(xì)胞類型的發(fā)育路線會(huì)因物種而異。此外，雖然關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子基因的活性在兩個(gè)物種的普通細(xì)胞類型中是相似的，但這兩個(gè)物種之間，某些細(xì)胞類型中的其他基因的活性差異比研究人員預(yù)期的要大得多。

同行評(píng)價(jià)

柏林醫(yī)學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)研究所的發(fā)育生物學(xué)家Robert Zinzen說(shuō)：“看到這些成果，我的*反應(yīng)是：Wow！盡管不久前Science剛剛報(bào)道了研究人員在被切碎后再生的渦蟲（簡(jiǎn)單的扁形蟲，無(wú)脊椎）中追蹤cell-by-cell基因活性的成果，但在脊椎動(dòng)物中，復(fù)雜性要高得多。”

美國(guó)華盛頓大學(xué)的發(fā)育生物學(xué)家David Kimelman則表示，這些新成果是一項(xiàng)重要成就，能夠幫助理解發(fā)育生物學(xué)中關(guān)鍵的基礎(chǔ)問(wèn)題。

責(zé)編：風(fēng)鈴

參考資料：

How one cell gives rise to an entire body

Chronicling embryos, cell by cell, gene by gene