從單細胞到生命體:生物發育過程中的基因組「路線圖」

 

 

　　在三篇近期發表的裡程碑式的文章中，研究者們從單細胞層面系統性研究記錄了斑馬魚和非洲爪蟾胚胎發育早期各個細胞的基因表達水平，繪製了發育路線圖，以揭秘單個細胞如何發育成整個生命體。這些研究結果詳細描述了多種細胞產生過程中的基因「配方」，並且為發育生物學和疾病的研究提供了前所未有的寶貴資源。

 

　　多細胞生物，小如線蟲，大如藍鯨，智慧如人類，是否都始於單個卵細胞？

　　「一花一世界」，單個細胞孕育出構成生物體的成百上千萬細胞，繁若星辰。這些細胞只有在正確的時間和正確的位置發育，方能和臨近細胞共同發揮它們的功能。

　　這個是自然界中最令人嘆為觀止的現象之一，儘管生物學家們已經進行了幾十年的研究，目前我們還是不能完全理解這一發育過程的機理。

　　最近，來自哈佛大學醫學院的研究者們系統地研究了發育中的斑馬魚和非洲爪蟾的胚胎中每個細胞，以繪製發育路線圖，從而揭秘單細胞如何發育成生物體。這一研究成果發表在《科學》雜誌4月26日的最新期刊上。

　　這些研究團隊使用單細胞測序的方法追蹤了胚胎發育前24個小時的細胞命運，他們的分析結果揭秘了這一時期各個細胞中基因表達的全景圖：哪些基因被激活，哪些基因被抑制，以及胚胎細胞在何時分化為何種狀態。

　　這些研究結果詳細描述了兩種模式生物多種細胞系產生過程中的基因「配方」，對/為發育生物學和病理學的研究提供了前所未有的重要資源。

　　「通過單細胞測序，我們可以在一天內獲取關於生命發育早期細胞分化的重要信息，而這在過去往往需要數十年的摸索」，Allon Klein如是說，他是哈佛大學醫學院系統生物學系的助理教授，其中兩篇文章的通訊作者。

　　從生物醫學角度來講，這些關於生物體如何發育的基礎資源和生物體的基因組資源同等重要。

　　Klein還說：「通過我們的方法，我們也展示了我們所認為的發育生物學的未來：這句話「我們」出現次數太多了，同義詞替換或者刪減一個就好了～它將轉變成一種更加量化，大數據驅動的科學。」

　　除了推進我們對早期生命發育的理解，這一研究還為研究疾病發生機理打開新的大門，三篇文章的另外一篇的通訊作者，Alexander Schier補充，他是哈佛大學分子細胞學系Leo Erikson生命科學教授。

　　「可以預見，任何涉及基因表達隨時間改變的複雜生物過程都可以用這一方法來研究，不僅僅是胚胎發育，還有癌變過程和腦的神經退行」，Schier繼續說道。

 

　　一次只研究一個細胞 

 

　　發育中胚胎裡的每個細胞都有一份完整的基因圖譜，就像建築工人在打地基的時候僅僅使用建築藍圖中有關地基的部分，細胞只有在合適的時間表達必需的基因才能保證胚胎的正常發育。

　　在他們的研究中，Klein與文章的共同作者哈佛醫學院系統生物學系的John Franklin Enders教授Marc Kirschner，哈佛醫學院系統生物學副教授Sean Megason，以及其他同事合作來分析斑馬魚和非洲爪蟾的胚胎：這兩種生物/它們（不會引起歧義的情況下，儘量避免和「兩種模式生物」重複）是發育生物學領域廣為使用的兩種模式生物。

　　研究者們利用了InDrops來獲取胚胎中單個細胞的基因表達數據，這是由哈佛醫學院Klein, Kirschner和他們的同時/同事開發的單細胞測序技術。他們的研究團隊廣泛地研究了20多萬細胞在兩種生物胚胎發育前24小時多個時間節點的基因表達圖譜。

　　為了錨定胚胎發育中每個細胞的來源以及代表精確的基因表達順序來定位新的細胞狀態和類型，該研究團隊還研發了新的實驗技術和計算方法，包括通過引入人工DNA「條碼」來追蹤細胞來源，這一技術被命名為TracerSeq。

　　「研究一個生物體的發育過程，不僅僅需要靜態的基因組數據，更需要了解在細胞分化過程中哪些基因被激活或者沉默。」Megason說道，「我們的技術是首個讓我們（刪）可以系統地量化的解決這一問題的技術。」

　　Schier領導的研究小組用到了Drop-Seq——一種由哈佛醫學院和麻省理工學院的Broad研究院共同開發的單細胞測序的技術——來對斑馬魚早期胚胎12個小時內的發育過程進行高時間解析度的研究。與Broad研究所的核心成員Aviv Regev合作，Schier和他的同事們使用了URD（命名靈感來源於挪威的命運之神）這一計算方法重構了發育中的細胞軌跡。

　　Schier及其同事研究了超過38000細胞，並且構建了細胞的「家庭樹」圖譜，來反映不同基因的表達量如何隨25種細胞分化而改變。通過結合基因表達的時間圖譜和空間信息，這一研究團隊還重構了早期斑馬魚胚胎中各個細胞類型的空間位置。

 

　　成功的配方 

　　在這兩種物種中，研究者們的發現大多與之前關於胚胎發育的理解相吻合，這也強調/體現（強調放在這裡稍顯生硬）了這一新方法的可行性。另一方面，這一方法也對 「全能性」細胞分化為更「專能性」細胞過程中一系列的變化提供了前所未有的全面性，細節性的信息。

　　研究者們也確認了一些用其他方法難以檢測到的細節，比如一些稀有細胞種類和亞種，以及將新的，分化末端的基因表達模式聯繫到不同的細胞系，在幾種不同情境中，他們發現細胞分化早於以前所認為的。

　　對於研究人類疾病機理的科學家來說，這些數據非常重要。例如，在再生醫學領域，過去的幾十年中研究者們都致力於誘導胚胎幹細胞分化成某種特定細胞以取代疾病細胞，組織或者器官。新研究中的關於不同細胞分化過程中的基因表達變化可以促進這些研究。

　　「如果有人想要誘導某種特殊的細胞種類，通過我們的數據，他們能夠知道這一細胞類型在胚胎中是如何形成的。我們已經對胚胎中複雜的分化過程有了相當的了解，並且示範了如何系統性地重演這些過程。」Klein說道。

　　當與生物學研究中的核心思想之一相結合：通過擾動一個系統來研究發生了什麼，單細胞測序可以獲取以前的方法難以獲得的東西，Klein說。

　　為了證明他們的結果，Klein， Megason和他們的同事使用了CRISPR/Cas9這一基因編輯技術製造了脊索基因突變的斑馬魚：該基因決定胚胎發育前後方向的。Schier及其同事用類似的方法研究了帶有另外一種模式基因突變的斑馬魚：該基因名為one-eyed pinhead，是促進中內胚層發育的重要基因。

　　使用單細胞測序的方法，研究者們證明了帶有脊索突變和one-eyed pinhead突變的斑馬魚的性狀與以前所知描述一致，而新的方法更加詳細地描述甚至預測這些突變對胚胎細胞發育和早期組織中的影響。

　　出乎意料的是，這一研究團隊獨立發現在單細胞層面，儘管一個必需的信號通路消失了，突變中的基因表達和野生型是相同的，但是不同類型細胞的比例卻改變了。

　　「這一研究只有通過最新的技術才得以施行，新技術使我們可以分析成千上萬個單個細胞的基因表達。現在我們可獲取數據的時間和空間尺度大大提高，所以我們可以重構胚胎發育中幾乎所有細胞和基因的軌跡。這就像從前我們只能看到幾顆星星，而現在我們可以看到整個宇宙。」Schier說。

 

　　重新思索定義 

　　這些研究團隊也證明了他們的數據如何可以被用來回答長久以來不得解答的生物問題。/研究團隊也用這些數據解釋了長久以來不得解答的生物問題。沒必要非得和原文一致，咱們翻譯自由度還是很大的～「證明數據如何被使用」這種翻譯聽起來有點彆扭，但是當然也沒毛病，這裡就是提個建議啦

　　當Klein, Kirschner, Megason和他們的同事們比較斑馬魚和非洲爪蟾的胚胎，他們得到的大部分是相似之處，但是他們的分析有很多意外的發現，其中之一便是在一個物種中標誌細胞狀態的基因往往在另外一個物種中往往不能很好的標誌同樣的細胞狀態。在幾個例子中，他們發現某一基因的DNA序列和所編碼的蛋白質在不同物種中幾乎相同，但是卻有這/著不同的表達模式。藍色部分還是用詞有些重複

　　「這一發現震驚了我們，因為它幾乎顛覆了我們關於發育生物學的直覺，它是一個讓人不安的發現，因為這一發現直接地挑戰了我們關於如何定義一種細胞的觀念。」Klein說。

　　研究者們認為，這些驚人發現在以往的研究中沒有被發現的原因有可能是計算分析「關注」數據和/的方式與人類完全不同。

　　「我認為這反映了一定程度的認知偏差，科學家們的注意力往往被於不同物種間的保守的基因所吸引，而忽視那些非保守的特徵，而定量的數據幫助我們去除這些偏差。」Megason評論道。

　　這些科研團隊的另外一項驚人發現是：細胞分化成不同細胞類型的過程——以往分化過程往往被認為是一種樹狀結構：不同的細胞類型從同一個祖先細胞分化而來——實際上不僅僅是「樹杈狀」，也可以是「環狀」。

　　例如，神經嵴細胞——可以分化成不同細胞類型，諸如平滑肌，一些神經元和顱面骨——最早產生於神經和皮膚前體，但是也可以產生骨細胞和軟骨細胞前體。

　　這些新結果說明類似的環狀分化也可能在其他情況下出現，同一狀態下的細胞可以擁有完全不同的發育歷史這一發現說明了我們以前把發育過程看作「樹狀結構」的觀念過於簡單，Klein說。

　　這三個研究組都確認了存在一部分細胞處於細胞命運決定的中間態。Schier和同事們發現，在一些關鍵的發育節點，細胞看似走向一個發育軌跡，但是卻可以隨後改變它們的細胞命運從而走向另外的發育軌跡。

　　Klein, Megason, Kirschner和他們的同事們共同發現，在發育的早期，有的細胞會同時激活兩套不同的發育程序，儘管這些細胞最終會發育成一種細胞，這些發現為研究細胞如何發育走向它們最終的命運提供了更多的細節，並且暗示了細胞命運不僅僅在基因表達層面被調控。

　　「通過多種細胞系，我們不禁懷疑細胞的最終命運是否被一些除了基因之外的選擇性因素或者與環境的相互作用所左右。」Kirschner說。

 

　　未來的方向 

　　新產生的實驗數據以及該研究所開發的新的技術和工具為未來的研究奠定了良好的基礎。

　　發育生物學家們可以從不同的生物獲取更多更高質量的數據，無論是繼續研究胚胎發育的其他時期還是進行幹預實驗，都將提高我們對生物發育的基本原則和疾病發生的認識。

　　這些資源也可以作為不同實驗室之間進行合作交流的基礎，因為大部分實驗室沒有獨立生產/獲得和分析所有數據的能力。

　　"「我認為這些研究為整個科研圈合作交流提供了良好的模型，研究者們提出問題並且互相合作，已/以解決胚胎發育早期的問題。」Kirschner說。

　　Schier評論，這三個研究都是科研社區如何互相合作來回答同一重要生物問題不同側面的典範。

　　「我們的研究組在過去兩年裡保持良好的交流，協調文章的發表，這三篇文章互為補充：每篇文章都從不同的側面展示了如此複雜的數據是如何產生，分析和解釋的。」

　　這些研究組們認為下一步重要工作是更好的了解細胞命運是如何被決定的。

　　"理是什麼。」Megason說。

　　無論未來如何，這些數據都已經留下了它們的印記。

　　「研究生物體的美麗之處就在於：它們就在那裡，它們就是這樣：從現在開始，十年，二十年，我們仍然確定斑馬魚和蛙將會沿著同樣的模式發育。」Klein說。

　　這三個研究組都將他們的數據和研究工具公開在網上。

 

　　內容由哈佛大學醫學院提供，原稿由Kevin Jiang撰寫。

 

　　參考文獻：

　　James A. Briggs, Caleb Weinreb, Daniel E. Wagner, Sean Megason, Leonid Peshkin, Marc W. Kirschner, Allon M. Klein. The dynamics of gene expression in vertebrate embryogenesis at single-cell resolution. Science, 2018; eaar5780 DOI: 10.1126/science.aar5780

　　Daniel Wagner et al. Systematic mapping of cell state trajectories, cell lineage, and perturbations in the zebrafish embryo using single cell transcriptomics. Science, 2018

　　Jeffrey A. Farrell, Yiqun Wang, Samantha J. Riesenfeld, Karthik Shekhar, Aviv Regev, Alexander F. Schier. Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis. Science, 2018; eaar3131 DOI: 10.1126/science.aar3131

 

　　原文連結：

　　https://www.sciencedaily.com/releases/2018/04/180426141459.htm 

 

　　翻譯：矯駿逸

　　審稿：柯奎宇