發育生物學家的夢想更近了

斑馬魚。圖片來源於網路

撰文丨徐鵬飛（浙江大學）

責編丨迦 漵

在脊椎動物胚胎髮育的過程中，全能的幹細胞是如何逐步地分化成多種形態、功能和位置各異的細胞類型的？構建一棵能夠跟蹤觀察從受精卵到成體的每個細胞命運轉化路徑的全息四維生命之樹，也許是每個發育生物學研究者的夢想；利用發育生物學和分子生物學等研究手段，這棵生命之樹的雛形已經逐漸的被顯現出來，在此基礎上，單細胞分析技術（包括單細胞測序技術和單細胞成像技術等）和計算生物學的發展，讓我們離實現這一夢想更加的接近了；而哈佛醫學院系統生物學系無疑是最適合完成這一使命的科學中心之一。

為什麼哈佛醫學院系統生物學系最適合做這項偉大的工作呢？原來其系主任是著名的細胞和發育生物學家Marc Kirschner（美國科學院院士），在創建並主持了哈佛醫學院細胞生物學系十年之後，Marc Kirschner於2003年開創了系統生物學系，筆者的一位師長曾開玩笑的說：「Marc是一個乍一接觸會讓你感覺不那麼聰明的人，但是事實上他真的非常非常聰明。」

Marc Kirschner（Credit: Jason varney）

Marc Kirschner對科學的貢獻除了在細胞和發育生物學的幾乎各個方向上都有開創性發現，還培養了一大批傑出的科學家，這三篇Science文章中兩篇的通訊作者Allon Klein，之前就是Kirschner實驗室的博士後，正是他最早發明了「inDrop-seq」的方法（2015，Cell）；另一位通訊作者Sean Megason也是Kirschner招募至系統生物學系， Megason實驗室最主要的研究方向，是利用活體成像的方法，在斑馬魚系統中研究形態發生的機理，主要的研究手段被他稱為「in toto imaging」，即追蹤整個斑馬魚胚胎的分子、細胞和組織的動態信息，「in toto」加「inDrop」便產生了這兩篇文章。

另外，Klein和Megason這兩個實驗室都有非常專業的計算生物學人才，筆者認為這也是哈佛系統生物學系最大的特徵之一-大於三分之一的PI、研究生和博士後的專業背景是純正的數學、物理或者化學，希望中國早日有這樣的科學中心出現。第三篇文章的通訊作者Alex Shier在斑馬魚領域成名已久，實驗室在哈佛本部（據悉最近搬到了瑞士巴塞爾大學），與前述兩個實驗室交流也很頻繁，不再過多介紹。

這三篇文章，應用了爪蟾和斑馬魚這兩種模式生物，選取不同的時間段和時間間隔，進行了系統的單細胞轉錄組分析。第一篇斑馬魚的文章選取了從受精後4小時至24小時的7個時相，時間間隔為2-6個小時不等，包括了原腸運動、體節生成和早期器官生成的幾個胚胎髮育早期的最重要時期；另一篇斑馬魚的文章則選取了從3.3小時至12小時的12個時相，時間間隔小於一個小時，這兩篇文章的數據正好起到互相印證和補充的作用；另一篇爪蟾的文章的時相為受精後5小時至22小時，與第一篇斑馬魚的文章相對應，並對斑馬魚和爪蟾的單細胞數據進行了比較。

通過各自不同的計算方法，這些工作除了為我們描繪出了斑馬魚和爪蟾早期發育相對較「全景」的動態圖譜，通過比較分析，也得出了一些令人意想不到的發現：

1. 至少在斑馬魚胚胎中，早期細胞的分化圖譜並不是「樹狀」的，或者和我們想像的經典的「樹狀」不同。首先，各種細胞類型在早期界限並不那麼清楚，也就說「分枝」較晚；另外，不同分枝的細胞可以相互連通，也就是說處於不同分化路徑上的細胞在發育過程中命運可以發生轉換；

2. 在三個胚層形成的過程中，「軸」中胚層與其他中胚層細胞分開的時間，與外胚層和中胚層分開的時間相同！這是否意味著「軸」中胚層將來可以被認為是一個單獨的胚層？這可能會改變我們對早期發育的理解方式；

3. 突變體中並沒有新的細胞類型產生，而只是缺失了該信號調控的那一部分細胞；

4. 儘管斑馬魚和爪蟾的細胞譜系有很高的保守性，但某些細胞，如一些表皮細胞只在爪蟾中存在，這從某種程度上反映出了兩個物種發育環境的不同。

在不同物種間，比較不同發育階段全胚胎的單細胞數據，必將幫助我們更好的理解物種演化的規律；在完全去除一條信號通路的情況下，比較全胚胎的單細胞轉錄水平的變化，也將會讓我們發現新的信號通路相互作用的規律，這些都在以上文章中進行了初步的探索。同時，正如這三篇文章中提到的那樣，一些技術困難，比如細胞在胚胎中位置信息的缺失、在胚胎打散過程中細胞的丟失、對於表達迅速變化的基因的捕捉以及表達量較低但非常重要的基因的檢測等，都是下一步需要改進的地方，相信結合單細胞成像技術，這些困難都會被一一解決。

總的來說，這三篇文章可以說是單細胞研究脊椎動物胚胎早期發育的奠基之作，也可以說拉開了從單細胞水平上研究發育的序幕，正如Science同期評論文章中Detlev Arendt博士所提到的那樣，單細胞分析將成為發育生物學研究的常規手段。

參考文獻：

1、Klein, A. M., Mazutis, L., Akartuna, I., Tallapragada, N., Veres, A., Li, V., ... & Kirschner, M. W. (2015). Droplet barcoding for single-cell transcriptomics applied to embryonic stem cells.Cell, 161(5), 1187-1201.

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