▲斑马鱼胚胎分裂图像。
不管是一只虫子，一个人还是一头蓝鲸，所有多细胞生物的生命都是源自一颗单细胞的卵。这个单细胞分裂，产生大量细胞并进而形成一个有机体，每一个细胞都要在正确的时间、地点发育，并与它的相邻细胞一起协调执行精确的功能。尽管经过了几十年的研究，生物学家们对这一过程并不完全了解。
4月26日发表在《科学》杂志上的三项具有里程碑意义的研究中，美国哈佛医学院和哈佛大学的研究人员利用单细胞测序技术，系统地分析了斑马鱼和非洲爪蟾胚胎发育过程中的每一个细胞，建立了基因表达路线图，揭示了细胞形成一个完整有机体的过程。
这些发现代表了斑马鱼和非洲爪蟾产生不同的细胞类型的基因“配方”目录，并为发育生物学和疾病研究提供了前所未有的资源。这项工作除了让我们进一步地了解生命的早期阶段外，也使我们重新认识了许多疾病，使得我们可以重建任何细胞在一段时间内改变基因表达的生物过程。
其中两项研究的作者Allon Klein及Marc Kirschner等开发了单细胞测序技术——InDrops，用于从胚胎中的每个细胞里获取基因表达数据。研究人员在24小时内收集了斑马鱼和非洲爪蟾的数万个细胞的基因表达数据。同时利用人造DNA条形码跟踪细胞之间谱系关系的TracerSeq技术，确定了每个细胞的谱系来源以及基因表达的精确顺序。
Alexander Schier领导的第三项研究使用了另一种单细胞测序技术——Drop-seq，在高分辨率下研究斑马鱼胚胎12小时以上，并通过一种名为URD的计算方法重建了细胞轨迹，开发了一本细胞“家谱”，揭示了25种细胞类型的基因表达是如何随着细胞特化改变的。通过与空间推断相结合，研究小组还能够重建早期斑马鱼胚胎中各种细胞类型的空间起源。
利用新方法，研究小组揭示了细胞从“通用”状态到特化状态发生的一系列事件，并发现了一些罕见的细胞类型和亚型，将新的、高度特化的基因表达模式与不同的细胞谱系联系起来。对于研究人类疾病的科学家来说，这些数据可能具有很强的启发性。
研究人员在分析时发现，在一个物种中标志细胞状态的基因通常与其他物种中相同细胞状态的基因标志不同，而且在物种之间几乎是相同的一个基因的DNA序列及其编码的蛋白质的结构表达模式却截然不同。这些发现直接挑战了之前对确定的“细胞类型”的定义，研究人员认为这可能反映了某种程度的确认偏误。
其次，研究小组观察到从一个共同的祖先细胞中分离出来的不同细胞类型可以形成“循环”和分支，表明同一状态下的细胞可以有完全不同的发育历史，颠覆了我们之前对于发育等级的观念。
研究人员还发现了一种存在于中间“命运决定”状态的特定细胞群。在早期发育过程中，这些细胞激活了两个完全不同的发育过程，暗示可能存在超越基因指导细胞的命运的因素，比如某种选择性的力量或与环境的互动等。
研究人员认为，新生成的数据集和开发的新工具和技术会为未来的研究奠定基础。发育生物学家可以收集更多和更高质量的数据，进一步跟踪胚胎，并进行干扰实验，提高我们对生物学基本规则和疾病的理解。
研究团队建议，下一个概念上的飞跃将是更好地理解细胞命运决定是如何完成的。“现在我们有了一个基因表达路线图，但不知道路标是什么，我们需要找出指导细胞特化的信号，以及允许细胞命运决定的内部机制。”系统生物学家Sean Megason说。
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编译：花花 审稿：阿淼 编辑：程建兰
来源：https://phys.org/news/2018-04-scientists-reveal-genetic-roadmap-entire.html
