從一到多:一個單細胞是如何演變成整個生物體的?

博科園：科學科普-生命科學類

無論是一條蠕蟲、一隻藍鯨、或是一個人類……所有的多細胞生命都始於一個單細胞——受精卵。從這個孤立的細胞湧現出建立一個生物體所需的一切，每個新的細胞在對的時間、對的地點生長發育，並與其周圍的鄰居協調合作發揮一個精確的功能。

○正經歷第一輪細胞分裂的熱帶爪蟾的受精卵。科學家通過測量在生命的最初幾個小時內每個細胞內都表達了哪些基因，來追蹤這些細胞是如何找到它們的發展命運。| 圖片來源：Olena Shmahalo/Quanta Magazine

這樣的一項壯舉，是自然界中最值得矚目的成就之一。儘管對它的研究已歷經數十年，但生物學家卻一直無法完全理解這一過程。4月26日，《科學》雜誌發表了三項具有裡程碑意義的研究，哈佛醫學院和哈佛大學的研究人員報告了他們如何系統地描述了在發育中的斑馬魚和青蛙胚胎裡的每個細胞，以建立一個揭示從一個細胞如何構建整個生物體的路線圖。

科研人員運用單細胞測序技術追蹤了個體細胞在一個胚胎生命最初24小時內的命運。他們的分析揭示了基因開啟或關閉、以及當胚胎細胞轉變為新的細胞狀態和細胞類型時的全面圖景。

這些發現共同為這兩個重要的模型物種中產生不同的細胞類型提供了一本遺傳「秘訣」的目錄，還為發育生物學和疾病的研究提供了前所未有的資源。哈佛醫學院的系統生物學教授 Allon Klein 是其中兩篇論文的作者之一，Klein說：「通過新的方法，我們制定了發育生物學未來發展的方向，它將轉化為一門受量化『大數據』驅動的科學。」

哈佛大學分子與細胞生物學教授 Alexander Schier 是第三篇論文的作者，他表示，這項工作除了能進一步揭示生命的早期階段之外，還能為重新認識一系列疾病打開新的大門。Schier說：「我們預見到，任何複雜的生物學過程都可以使用這種方法來重建細胞隨著時間推移而改變基因表達的過程。不僅僅是胚胎的發育，還有癌症或腦退行性疾病的發展。」

一次一個

○單細胞測序使研究人員能夠以每次一個的精確度在數千個細胞中研究基因表達。| 視頻來源：Klein實驗室

發育胚胎中的每一個細胞都攜帶了生命體的完整基因組拷貝。像建築工人在鋪設建築物的基礎時只會用到整個藍圖中相關的那部分一樣，細胞必須在適當的時候作必要的基因表達，才能使胚胎正常地發育。

在他們的研究中，Klein與哈佛醫學院的系統生物學教授 Marc Kirschner 以及系統生物學副教授 Sean Megason 合作，分析了斑馬魚和熱帶爪蟾（學名Xenopus tropicalis，是負子蟾科下的一種青蛙）的胚胎，它們是生物學中被研究得最為深入的兩種模式物種。Klein 和 Kirschner 等人在哈佛醫學院開發了一種強大的單細胞測序技術——InDrops。利用這種技術，研究人員能以一次一個細胞的清晰度對胚胎裡每個細胞的基因表達數據進行捕捉。兩個研究小組分析了這兩個物種在24小時內超過200,000個細胞。

為了在胚胎發育時對基本上每個細胞的譜系、以及標記新細胞狀態和類型的基因表達事件的精確序列進行繪製，他們研發了新的實驗和計算方法，其中包括引入人造DNA條形碼以追蹤細胞之間的譜系關係。Megason說：「要了解生物體是如何形成的，不僅要知道基因組的靜態序列，還需要知道當細胞作出改變命運的決定時，哪些基因是打開或關閉的。這是第一種能讓我們系統、定量地解決這個問題的技術方法。」

在由 Schier 共同領導的那項研究中，研究團隊用單細胞測序技術在高時間解析度下，對斑馬魚胚胎進行了超過12小時的研究。之後，通過一種名為URD計算方法，他們重建了細胞軌跡。Schier 和同事分析的細胞數超過38,000個，還發展出了一個細胞的「家族樹」，揭示了25種細胞類型的基因表達會如何變化。通過將這些數據與空間推理相結合，該團隊還成功重建了斑馬魚的早期胚胎中各種細胞類型的空間起源。

○ 發育中的熱帶爪蟾卵細胞。| 圖片來源：Enrique Amaya

成功的配方

在這兩個物種中，研究團隊的發現都與過去對胚胎發育的了解相映，這一結果凸顯了新方法的力量。但這些分析在揭示從祖細胞到具有特殊功能的細胞狀態轉變過程中發生的一系列事件方面，做到了前所未有的詳盡與全面。他們成功地發現了一些過去難以捕捉的細節，例如罕見的細胞類型和亞型，並將新、且具有高度特異性的基因表達模式與不同的細胞譜系聯繫起來。他們發現在好幾種情況下，細胞類型湧現得比過去想像中要早得多。

對於努力尋找解開與人類疾病有關問題的科學家來說，這些數據照亮了進行前行的方向。例如在再生醫學領域，幾十年來研究人員一直致力於將幹細胞轉化成具有特殊功能性的細胞，目標是要將它們代替有缺陷的細胞、組織和器官。新收集到的關於促成特定細胞類型出現的基因表達順序變化的信息，能進一步推動這些成就。

Klein 說：「現在，如果有人想要製作某種特定的細胞類型，這些數據集就可以讓他們擁有這些細胞在胚胎中形成步驟的配方。在某種意義上，我們已經為胚胎中的複雜分化過程的發展建立了一個黃金標準參考系，並為如何系統地重建這些過程類型樹立了榜樣。」Klein 表示，當與生物研究中的一個核心概念（即破壞一個系統以研究所發生事物）相結合時，單細胞測序可以讓我們得到從前難以實現的見解。

作為一個原理性證明，Klein、Megason 及其同事用 CRISPR / Cas9 基因編輯系統，創建了一隻腱蛋白（一種參與決定發育中胚胎定向的基因）突變的斑馬魚。Schier 和他的團隊採用類似的方法，分析了獨眼針頭基因發生突變的斑馬魚。當使用單細胞測序進行分析時，研究小組證實了先前已有的關於腱蛋白和單眼針頭突變體的描述，並且可以詳細描述甚至預測這些突變對整個胚胎中正發育的細胞與新生組織的影響。

出乎意料的是，這些研究小組各自獨立地發現，在單細胞水平上，突變體和野生型的基因表達是相同的，儘管失去了必要的信號通路。然而，不同細胞類型的比例卻發生了變化。Schier說：「只有運用最新的技術，才讓分析數千個個體細胞中的基因表達成為可能。根據現在的規模，我們可以在胚胎形成過程中對幾乎所有細胞和所有基因的軌跡進行重建。這就好比從幾顆星星到看到了整個宇宙一樣。」

重新定義

研究團隊還展示了如何對這些數據進行挖掘，來回答生物學中長期存在的基礎問題。當 Klein、Kirschner、Megason 等人對斑馬魚和青蛙胚胎的細胞狀態進行比較時，他們觀察到許多相似之處。但與此同時，他們的分析也帶來了很多驚喜。例如他們發現，在某些情況下，一個基因的DNA序列以及它所編碼的蛋白質結構可以在不同物種間幾乎完全相同，卻又有著非常不同的表達模式。

Klein 說：「這真讓我們感到震驚，因為它違背了我們對發育和生物學抱有的所有直覺。這是一個讓人無法放下的觀察結果。它直接挑戰著我們對於成為某種『細胞類型』意味著什麼的想法。」研究人員假設說，之前沒有發現這些差異的原因是由於計算分析只以一種與人類分析完全不同的方式「關注」數據。Megason 說：「我認為這反映了一定程度的確認偏見。當科學家發現了在物種間守恆的東西時，他們將它作為一種標記來慶祝；卻往往忽略了所有其他不守恆的功能。定量數據分析有助於我們擺脫這些偏見。」

還有另一個驚人的發現，通常我們會將細胞分化成不同細胞類型的過程想像成一個樹狀結構，其中不同的細胞類型是從共同的祖細胞分支產生的。但研究團隊觀察到的是，它們也可以形成「環」狀的分支。例如，能產生平滑肌、部分神經元和顱面骨等不同組織類型的細胞——神經嵴，最初是從神經和皮膚前體中出現的，但眾所周知的是，它同時也能產生與骨、以及軟骨前體幾乎相同的細胞。

新的結果表明，在其他情況下可能還會出現類似的循環。Klein 說，處於同一狀態的細胞可能具有非常不同的發育歷史，這表明將發育過程視為「樹」狀的等級觀點或許有點過於簡單。所有的這三個小組還確定了某種以中間「決策」狀態存在的細胞群。Schier 的團隊發現，在某些關鍵的發育分支點上，細胞似乎在沿著某一條發育軌跡發展之後，又轉換到另一條發展軌跡上。

Klein、Megason、Kirschner 等人在早期發育階段做了一個相關的觀察，發現一些細胞會激活兩種不同的發育程序。雖然這些中間態的細胞最終會採取其中的一個種類，但這些發現豐富了細胞會如何發展成其最終命運的繪景，同時這也暗示著，在指引細胞命運的過程中或許還存在超過基因的因素。Kirschner說：「對於具有多向分化能力的細胞來說，我們不得不開始懷疑它們的最終命運是否也受某些選擇性力量或與環境的相互作用決定，而不僅僅是遺傳程序。」

○ 胚胎發育的新視角，顯示了隨著時間的推移，由相關性而組織的50,000多個細胞。中心藍色的部分是生命的開始，向外發散，直到出現特定的細胞類型。 | 圖片來源：Wagner et al.

未來的基礎

據作者介紹，因這些研究而新產生的數據集和研發出的工具和技術，為未來更廣泛的探索奠定了基礎。發育生物學家可以收集到許多物種的更多更高質量的數據，及時跟蹤胚胎並執行任何數量的擾動實驗，所有這些都有助於提高我們對生物學與疾病的基礎定律的理解。

作者指出，這些資源還可以作為協作和互動的協調中心，因為大多數實驗室並沒有深入的專業知識來開發所有的數據和信息。Kirschner 說：「我認為這些研究正在創造一種真正意義上的科研社區，研究人員提出問題並以一種回溯到胚胎學研究早期的方式進行互動。」

Schier說，這三項研究是科學界可在互補問題上解答重要的生物學問題的一個好的示例。他說：「在過去兩年間，我們的團隊互相之間並不非在競爭，而是頻繁地接觸並通過協調來發表我們的研究。這三篇論文的互補性很好，每篇文章都強調了用不同的方式對這些複雜數據集加以生成、分析和解讀。」

他們認為，下一個概念上的飛躍將是更好地理解細胞是如何作出命運決策的。Megason 說：「現在，我們已經有了一個路線圖，但它還沒有告訴我們標記是什麼。我們需要做的是找出將細胞導向特定道路的那些信號，以及是怎樣的內部機制使得細胞做出這些決定的。」無論未來如何，這些數據集都會留下一道濃墨重彩的印記。Klein 說：「研究一個生物體的美好之處就在於——從現在開始，往後10年、20年後，我們仍然能肯定，斑馬魚和青蛙將按照相同的模式發育。」

博科園-科學科普｜文：Kevin Jiang｜來自：原理（principia1687）