哈佛科学家“胚胎发育”最详细过程

　　一个受精卵究竟是如何产生构成完整身体的多种细胞类型、组织和器官的？这是生物学领域最大的谜题之一。如今，结合单细胞测序技术和新型计算工具，来自哈佛大学、Broad研究所等机构的科学家们提供了关于这一过程最详细的图片。4月26日，Science用3篇论文报道了这一突破性。

　　How one cell gives rise to an entire body（视频地址：）小编温馨提示：视频内容非常震撼，但是也有点……（有密集恐惧症的小伙伴做好心理准备哦）。

　　为了追踪数千个细胞及其后代的新身份，研究者们首先在特殊的溶液中温和地溶解不同阶段的胚胎，接着摇晃或搅拌胚胎溶解物以单个细胞，之后测定每个细胞所有RNA（mRNA，反应了基因被的情况）链的序列。在获得了“正在发育的斑马鱼或青蛙胚胎中大部分细胞中基因活性的多个快照”后，他们最终出了胚胎形成的连贯历史（coherent histories，详见以上视频）。

　　在斑马鱼研究中，Klein 和Megason分析了约92,000个斑马鱼细胞，收集了来自7个不同胚胎阶段的mRNA数据。研究小组从发育了4小时的胚胎开始调查，在受精后24小时（这是基本器官开始出现的时间点）结束。每个细胞的基因活动模式表明了它的发展方向，并最终了它的身份。

　　为了追踪细胞及其后代是如何随时间变化的，研究人员给一些单细胞鱼胚胎（single-cell fish embryo）植入了基因示踪剂（genetic tracers）：许多微小的独特DNA片段被注入到胚胎的细胞质中。当细胞在不断成长的胚胎中反复时，这些“条形码”（barcodes，也就是基因示踪剂）会进入细胞核，并被“合并”到染色体中。实验结束时，每个细胞谱系最终都会形成一个独特的条形码组合。通过将这些信息与基因活动特征（gene activity profiles）结合起来，研究小组能够通过时间来追踪细胞的命运，看看一个受精卵是如何产生各种特殊细胞的，如心脏细胞、神经细胞和皮肤细胞。

　　在研究小组对胚胎早期生长阶段的细胞进行取样（在胚胎发育最初的9个小时中，每45分钟取一次样），以及对这些细胞的mRNA进行测序后，软件能够通过提取完全分化的细胞的基因活性并分析在次老胚胎（the next-oldest embryo）中哪些细胞具有最相似的基因活动特征谱来重建每个细胞的发育史。最终，Schier等，最初的单细胞胚胎（initial one-celled embryo）能够产生25种主要的细胞类型。

　　作者们指出，这些分析也产生了一些意外。发育生物学家曾经认为，一旦一个细胞开始沿着一个方向发展（如发育成一个肌肉细胞），那它就不会“偏离”这个方向。然而，这项新研究发现，一些斑马鱼细胞会在“半”转向另一个发展方向（即，发育成不同的细胞类型）。“‘这幅画’比我们想象的要复杂得多。”Megason感慨道。

　　在青蛙（Xenopus tropicalis）研究中，Kirschner和Klein对受精后5到22小时内的10个胚胎阶段进行了单细胞RNA测序分析。他们的团队最终读取了137,000个细胞的mRNA。基因活动数据显示，即使青蛙胚胎看起来还只是一个未分化的团（blob），它的细胞也已经开始接受它们的最终身份了。

　　在比较青蛙和斑马鱼的结果时，Klein等发现了惊人的差异，例如，某些细胞类型的发育线会因而异。此外，虽然关键因子基因的活性在两个的普通细胞类型中是相似的，但这两个之间，某些细胞类型中的其他基因的活性差异比研究人员预期的要大得多。

　　医学系统生物学研究所的发育生物学家Robert Zinzen说：“看到这些，我的第一反应是：Wow！尽管不久前Science刚刚报道了研究人员在被切碎后再生的涡虫（简单的扁形虫，无脊椎）中追踪cell-by-cell基因活性的，但在脊椎动物中，复杂性要高得多。”

　　美国大学的发育生物学家David Kimelman则表示，这些新是一项重要成就，能够帮助理解发育生物学中关键的基础问题。

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