无论是一条蠕虫、一只蓝鲸、或是一个人类……所有的多细胞生命都始于一个单细胞——受精卵。从这个孤立的细胞涌现出建立一个生物体所需的一切，每个新的细胞在对的时间、对的地点生长发育，并与其周围的邻居协调合作发挥一个精确的功能。
这样的一项壮举，是自然界中最值得瞩目的成就之一。尽管对它的研究已历经数十年，但生物学家却一直无法完全理解这一过程。
4月26日，《科学》杂志发表了三项具有里程碑意义的研究，哈佛医学院和哈佛大学的研究人员报告了他们如何系统地描述了在发育中的斑马鱼和青蛙胚胎里的每个细胞，以建立一个揭示从一个细胞如何构建整个生物体的路线图。
○仅在几小时内，斑马鱼的受精卵就形成了复杂的胚胎。| 视频来源：Fengzhu Xiong & Sean Megason
科研人员运用单细胞测序技术追踪了个体细胞在一个胚胎生命最初24小时内的命运。他们的分析揭示了基因开启或关闭、以及当胚胎细胞转变为新的细胞状态和细胞类型时的全面图景。
这些发现共同为这两个重要的模型物种中产生不同的细胞类型提供了一本遗传“秘诀”的目录，还为发育生物学和疾病的研究提供了前所未有的资源。哈佛医学院的系统生物学教授 Allon Klein 是其中两篇论文的作者之一，Klein说：“通过新的方法，我们制定了发育生物学未来发展的方向，它将转化为一门受量化‘大数据’驱动的科学。”
哈佛大学分子与细胞生物学教授 Alexander Schier 是第三篇论文的作者，他表示，这项工作除了能进一步揭示生命的早期阶段之外，还能为重新认识一系列疾病打开新的大门。
Schier说：“我们预见到，任何复杂的生物学过程都可以使用这种方法来重建细胞随着时间推移而改变基因表达的过程。不仅仅是胚胎的发育，还有癌症或脑退行性疾病的发展。”
一次一个
○单细胞测序使研究人员能够以每次一个的精确度在数千个细胞中研究基因表达。| 视频来源：Klein实验室
发育胚胎中的每一个细胞都携带了生命体的完整基因组拷贝。像建筑工人在铺设建筑物的基础时只会用到整个蓝图中相关的那部分一样，细胞必须在适当的时候作必要的基因表达，才能使胚胎正常地发育。
在他们的研究中，Klein与哈佛医学院的系统生物学教授 Marc Kirschner 以及系统生物学副教授 Sean Megason 合作，分析了斑马鱼和热带爪蟾（学名Xenopus tropicalis，是负子蟾科下的一种青蛙）的胚胎，它们是生物学中被研究得最为深入的两种模式物种。
Klein 和 Kirschner 等人在哈佛医学院开发了一种强大的单细胞测序技术——InDrops。利用这种技术，研究人员能以一次一个细胞的清晰度对胚胎里每个细胞的基因表达数据进行捕捉。两个研究小组分析了这两个物种在24小时内超过200,000个细胞。
为了在胚胎发育时对基本上每个细胞的谱系、以及标记新细胞状态和类型的基因表达事件的精确序列进行绘制，他们研发了新的实验和计算方法，其中包括引入人造DNA条形码以追踪细胞之间的谱系关系。
Megason说：“要了解生物体是如何形成的，不仅要知道基因组的静态序列，还需要知道当细胞作出改变命运的决定时，哪些基因是打开或关闭的。这是第一种能让我们系统、定量地解决这个问题的技术方法。”
在由 Schier 共同领导的那项研究中，研究团队用单细胞测序技术在高时间分辨率下，对斑马鱼胚胎进行了超过12小时的研究。之后，通过一种名为URD计算方法，他们重建了细胞轨迹。
Schier 和同事分析的细胞数超过38,000个，还发展出了一个细胞的“家族树”，揭示了25种细胞类型的基因表达会如何变化。通过将这些数据与空间推理相结合，该团队还成功重建了斑马鱼的早期胚胎中各种细胞类型的空间起源。
○ 发育中的热带爪蟾卵细胞。| 图片来源：Enrique Amaya
成功的配方
在这两个物种中，研究团队的发现都与过去对胚胎发育的了解相映，这一结果凸显了新方法的力量。但这些分析在揭示从祖细胞到具有特殊功能的细胞状态转变过程中发生的一系列事件方面，做到了前所未有的详尽与全面。他们成功地发现了一些过去难以捕捉的细节，例如罕见的细胞类型和亚型，并将新、且具有高度特异性的基因表达模式与不同的细胞谱系联系起来。他们发现在好几种情况下，细胞类型涌现得比过去想象中要早得多。
对于努力寻找解开与人类疾病有关问题的科学家来说，这些数据照亮了进行前行的方向。例如在再生医学领域，几十年来研究人员一直致力于将干细胞转化成具有特殊功能性的细胞，目标是要将它们代替有缺陷的细胞、组织和器官。新收集到的关于促成特定细胞类型出现的基因表达顺序变化的信息，能进一步推动这些成就。
Klein 说：“现在，如果有人想要制作某种特定的细胞类型，这些数据集就可以让他们拥有这些细胞在胚胎中形成步骤的配方。在某种意义上，我们已经为胚胎中的复杂分化过程的发展建立了一个黄金标准参考系，并为如何系统地重建这些过程类型树立了榜样。”
Klein 表示，当与生物研究中的一个核心概念（即破坏一个系统以研究所发生事物）相结合时，单细胞测序可以让我们得到从前难以实现的见解。
作为一个原理性证明，Klein、Megason 及其同事用 CRISPR / Cas9 基因编辑系统，创建了一只腱蛋白（一种参与决定发育中胚胎定向的基因）突变的斑马鱼。Schier 和他的团队采用类似的方法，分析了独眼针头基因发生突变的斑马鱼。
当使用单细胞测序进行分析时，研究小组证实了先前已有的关于腱蛋白和单眼针头突变体的描述，并且可以详细描述甚至预测这些突变对整个胚胎中正发育的细胞与新生组织的影响。
出乎意料的是，这些研究小组各自独立地发现，在单细胞水平上，突变体和野生型的基因表达是相同的，尽管失去了必要的信号通路。然而，不同细胞类型的比例却发生了变化。
Schier说：“只有运用最新的技术，才让分析数千个个体细胞中的基因表达成为可能。根据现在的规模，我们可以在胚胎形成过程中对几乎所有细胞和所有基因的轨迹进行重建。这就好比从几颗星星到看到了整个宇宙一样。”
重新定义
研究团队还展示了如何对这些数据进行挖掘，来回答生物学中长期存在的基础问题。
当 Klein、Kirschner、Megason 等人对斑马鱼和青蛙胚胎的细胞状态进行比较时，他们观察到许多相似之处。但与此同时，他们的分析也带来了很多惊喜。例如他们发现，在某些情况下，一个基因的DNA序列以及它所编码的蛋白质结构可以在不同物种间几乎完全相同，却又有着非常不同的表达模式。
Klein 说：“这真让我们感到震惊，因为它违背了我们对发育和生物学抱有的所有直觉。这是一个让人无法放下的观察结果。它直接挑战着我们对于成为某种‘细胞类型’意味着什么的想法。”
研究人员假设说，之前没有发现这些差异的原因是由于计算分析只以一种与人类分析完全不同的方式“关注”数据。
Megason 说：“我认为这反映了一定程度的确认偏见。当科学家发现了在物种间守恒的东西时，他们将它作为一种标记来庆祝；却往往忽略了所有其他不守恒的功能。定量数据分析有助于我们摆脱这些偏见。”
还有另一个惊人的发现，通常我们会将细胞分化成不同细胞类型的过程想象成一个树状结构，其中不同的细胞类型是从共同的祖细胞分支产生的。但研究团队观察到的是，它们也可以形成“环”状的分支。
例如，能产生平滑肌、部分神经元和颅面骨等不同组织类型的细胞——神经嵴，最初是从神经和皮肤前体中出现的，但众所周知的是，它同时也能产生与骨、以及软骨前体几乎相同的细胞。
新的结果表明，在其他情况下可能还会出现类似的循环。Klein 说，处于同一状态的细胞可能具有非常不同的发育历史，这表明将发育过程视为“树”状的等级观点或许有点过于简单。
所有的这三个小组还确定了某种以中间“决策”状态存在的细胞群。Schier 的团队发现，在某些关键的发育分支点上，细胞似乎在沿着某一条发育轨迹发展之后，又转换到另一条发展轨迹上。
Klein、Megason、Kirschner 等人在早期发育阶段做了一个相关的观察，发现一些细胞会激活两种不同的发育程序。虽然这些中间态的细胞最终会采取其中的一个种类，但这些发现丰富了细胞会如何发展成其最终命运的绘景，同时这也暗示着，在指引细胞命运的过程中或许还存在超过基因的因素。
Kirschner说：“对于具有多向分化能力的细胞来说，我们不得不开始怀疑它们的最终命运是否也受某些选择性力量或与环境的相互作用决定，而不仅仅是遗传程序。”
○ 胚胎发育的新视角，显示了随着时间的推移，由相关性而组织的50,000多个细胞。中心蓝色的部分是生命的开始，向外发散，直到出现特定的细胞类型。 | 图片来源：Wagner et al.
未来的基础
据作者介绍，因这些研究而新产生的数据集和研发出的工具和技术，为未来更广泛的探索奠定了基础。
发育生物学家可以收集到许多物种的更多更高质量的数据，及时跟踪胚胎并执行任何数量的扰动实验，所有这些都有助于提高我们对生物学与疾病的基础定律的理解。
作者指出，这些资源还可以作为协作和互动的协调中心，因为大多数实验室并没有深入的专业知识来开发所有的数据和信息。
Kirschner 说：“我认为这些研究正在创造一种真正意义上的科研社区，研究人员提出问题并以一种回溯到胚胎学研究早期的方式进行互动。”
Schier说，这三项研究是科学界可在互补问题上解答重要的生物学问题的一个好的示例。他说：“在过去两年间，我们的团队互相之间并不非在竞争，而是频繁地接触并通过协调来发表我们的研究。这三篇论文的互补性很好，每篇文章都强调了用不同的方式对这些复杂数据集加以生成、分析和解读。”
他们认为，下一个概念上的飞跃将是更好地理解细胞是如何作出命运决策的。
Megason 说：“现在，我们已经有了一个路线图，但它还没有告诉我们标记是什么。我们需要做的是找出将细胞导向特定道路的那些信号，以及是怎样的内部机制使得细胞做出这些决定的。”
无论未来如何，这些数据集都会留下一道浓墨重彩的印记。
Klein 说：“研究一个生物体的美好之处就在于——从现在开始，往后10年、20年后，我们仍然能肯定，斑马鱼和青蛙将按照相同的模式发育。”
文：Kevin Jiang
译：糖兽
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