三篇《Science》解读生命诞生奇迹：一个受精卵创造整个身体

为什么一个受精卵创造整个身体？这是生物学领域的一大谜团。一个受精卵如何能产生多种细胞类型、组织和器官？是什么力量操控所有细胞各司其职，最终组成了庞大而复杂的生命个体？ 

你的生命起源于一颗小小的受精卵，在其他身体部位还没有出现时，受精卵已经写好了伴随你一生的遗传程序，这个程序决定了你体内每个细胞的不同身份、特点和功能。

4月26日，3项里程碑式成果研究分别发表3篇《Science》论文，共同讲述史上最全面的脊椎动物胚胎发育内在基因活动快照。

巴塞尔大学（University of Basel）生物研究中心（Biozentrum）主任Alexander F. Schier课题组利用单个胚胎细胞研究了心脏、神经和血细胞的发育过程。他们是世界上率先具备成功重建单个胚胎细胞发育轨迹的实验室之一，这篇内含约40000个细胞成长记录的研究结果发表于《Science》杂志【1】。

哈佛医学院（Harvard Medical School，HMS）系统生物学助理教授、其中两篇文章的通讯作者Allon Klein分别与HMS系统生物学教授Marc Kirschner课题组和HMS系统生物学助理教授Sean G. Megason课题组合作，用单细胞测序技术分别绘制了非洲爪蟾（Xenopus tropicalis）【2】和斑马鱼（zebrafish）【3】从受精卵到完整胚胎的基因表达图谱。

成功秘诀

“理解一个有机体如何产生，需要知道哪些基因被打开或关闭，这些决定细胞命运的安排在静态的基因组序列中是看不出来的，”Megason说。“先进的技术方法是我们系统地、定量地解决这个问题的关键。

为了绘制胚胎发育过程中每一个细胞的谱系，连同指示新细胞状态的基因表达事件的精确序列，研究团队开发了包括人工DNA条形码追踪“TracerSeq”在内的一系列新型实验和计算技术。

高通量单细胞测序技术

Allon Klein等人采用HMS开发的inDrop单细胞测序技术，为每个胚胎细胞捕获一次基因表达数据，超24个小时记录时间内多个采样时间点，共计检测了超过200,000个细胞。

同期两篇文章通讯作者Allon Klein

Klein和Megason分析比较了92000个来自7个不同胚胎阶段的斑马鱼细胞，从4小时胚胎到基本器官开始显现的受精后24小时。每个细胞的基因活动模式揭示了它的发展方向和最终身份。

斑马鱼胚胎发育动态过程截图

Klein和Kirschner对非洲爪蛙受精卵受精后5小时至22小时期间的10个胚胎阶段的137000个细胞进行了单细胞RNA测序。基因活性数据显示，当爪蛙胚胎看起来是一个未分化的斑点时，其内部细胞的身份（如尾芽）已经定性。

Alex Schier（他在哈佛大学也领导了一个研究小组）和Jeffrey A. Farrell（一作）、Aviv Regev（通讯作者）等人采用Broad研究所和HMS开发的Drop-Seq单细胞测序技术，高质量地完成了单个细胞的完整分化历史跟踪。他们在斑马鱼胚胎发育的最初9个小时内，每隔45分钟采集一次细胞mRNA信息，总共分离了25个不同细胞类型的将近4万个细胞，结合分化轨迹，研究人员构建出了史上最全的胚胎形成发育树。

Alex Schier

在以前，该领域研究只基于少数基因检测，现在，高通量单细胞RNA测序技术使人们有能力分析细胞发育过程中所有基因活性。面对庞大的数据量，Broad研究所Aviv Regev等人开发的URD软件承担了合并和比较数据的计算工作，追踪每个个体细胞的发育，绘制广泛分支的发育树，并将所有细胞映射到早期胚胎的空间起源。

颠覆性发现

a）人为什么长得不一样？

过去，发育生物学家普遍认为，一旦细胞进入某个发育路径（比如肌肉细胞），它就不会走偏，就好比从山顶扔下来的大石头，势不可挡。但是，这三篇文章颠覆了之前的假设，文章指出，在某些关键的发育分支点上，一些细胞似乎原本沿着一个发育轨迹，但后来却改变命运到了另一轨迹。另一些细胞激活了两个不同的发育程序，虽然它们最终会采用其中一个身份，但这种情况会增加整体出现不同蓝图的可能性，暗示存在超越基因的引导细胞命运的因素。

“事情比我们想象的复杂得多，”Megason说。“

这些证据表明，环境信号对胚胎细胞具有强烈影响，以至于让特定细胞离开最初的发育路径，走向新的身份，使最终个体呈现丰富表型。

“随着细胞越来越多，我们必须怀疑，它们的最终命运是由于某种选择性的力量或与环境的互动来决定的，而不仅仅是基因工程，”Kirschner说。

b）保守性不能只看基因DNA序列

尽管不同物种的基因DNA序列和它们的编码蛋白结构几乎相同，但表达模式却非常不同。

Klein、Kirschner和Megason将爪蛙和斑马鱼两项实验的数据进行比较后发现了惊人差异。例如，某些细胞类型的发育路线因物种而异。尽管常见细胞系的关键转录因子活性相似，但一些细胞类型明显存在种间非预期差异。

作为原理证明，Klein和Megason团队使用CRISPR/Cas9基因编辑系统创建了一种突变版本的腱蛋白（chordin）斑马鱼模型，Schier团队则构建了一个“独眼针头（one-eyed pinhead）”基因途径突变版本的斑马鱼。

再用单细胞测序分析两种突变版本的斑马鱼胚胎，结果证实了这些突变对整个胚胎发育中的细胞和新生组织的影响。

出乎意料的是，两个课题组都发现，尽管分别丢失一个基本信号通路，突变型和野生型的基因表达在单细胞水平是一致的，但是，不同细胞类型的比例却发生了变化。

“这是一个非常令人不愉快的结果，它违背了我们对发育和生物学的所有直觉，”Klein说。“这直接挑战了我们过去定义某种细胞的根本。”

“当科学家发现物种间存在保守性时，他们就把它作为标记来庆祝，以至于忽略其他非保守特征。”Megason说。“定量后的数据有助于我们克服这些偏见。”

c）“环”和“树”

过去，不同的细胞分化过程被认为是“树”状分支模式，但研究小组观察到，从共同祖细胞分支出来的不同细胞类型竟然可以形成“环”状分支。例如，生产平滑肌、某些神经元和颅面骨的神经嵴（neural crest），最初来自神经和皮肤前体细胞，同时也会从骨和软骨前体细胞中形成。

结果表明，处于同一状态的细胞的来历也可能不同。“把细胞进化想象成树枝，真是想得太简单了，”Klein说。

“这三项研究是科学界通过处理互补性问题回答生物学关键问题的一个示范，”Schier说。“在过去两年，我们这几个团体经常接触，抛弃竞争地交流成果。三篇文章彼此互补，在数据生成、分析和解释方面各有重点。”

三篇文章的所有数据集和分析工具现已作为交互式的、可浏览的在线资源开放。两种重要模式动物的不同细胞遗传“目录”为发育生物学和疾病研究提供了前所未有的丰富资源。

原文检索：

1. Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis

2. The dynamics of gene expression in vertebrate embryogenesis at single-cell resolution

3. Single-cell mapping of gene expression landscapes and lineage in the zebrafish embryo

生物通：伍松