新技术:追踪单个细胞如何产生完整身体

科学网
2018-05-09

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科学网2018-05-09

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生物学最大的谜题之一是单个受精卵如何产生众多组合在一起形成身体的细胞类型、组织和器官。如今,由单细胞测序技术和计算工具构成的组合体正在为这一过程提供迄今最详细的画面。在3篇日前在线发表于《科学》杂志的论文中,研究人员报告称拍下了正在发育的斑马鱼或青蛙胚胎中大多数细胞基因活性的多个快照。随后,他们将这些每隔几分钟到几个小时被采集到的数据,集合成关于这些胚胎如何形成的连贯历史。

“我的第一反应是:‘哇!’”德国柏林医学系统生物学研究所发育生物学家Robert Zinzen表示。不久前,另外两篇在线发表于《科学》杂志的论文追踪了一种简单扁虫——涡虫在被切成小块后再生过程中的细胞基因活性。不过,Zinzen 介绍说,对于脊椎动物来说,“复杂性要高很多”。

然而,研究人员成功追踪了上千个细胞及其后代慢慢浮现出来的身份。“我认为,发育生物学的未来将是对胚胎进行常规的单细胞测序。”位于海德堡的欧洲分子生物学实验室进化发育生物学家Detlev Arendt表示。

所有这些研究均从将不同阶段的胚胎放在特定溶液中慢慢溶解开始,然后晃动或者搅拌它们,直到自由的单个细胞出现。对于每个细胞来说,研究人员随后会确定所有信使RNA(mRNA)链的序列。mRNA反映的是被转录的基因。

在美国哈佛大学,由Allon Klein、Marc Kirschner和Sean Megason领导的团队聚焦的是两种被发育生物学家研究了数十年的脊椎动物——斑马鱼和青蛙。在一项研究中,Klein和Megason分析了约9.2万个斑马鱼细胞,并且收集了来自7种不同胚胎阶段的mRNA数据。该团队从刚形成4个小时的胚胎入手,并且在胚胎受精后的24个小时结束测序。此时,最基本的器官已经开始出现。每个细胞的基因活性模式揭示了其发育路径以及最终的身份。

为追踪细胞及其后代如何随着时间流逝发生改变,研究人员在一些单细胞斑马鱼胚胎上安装了基因示踪剂:被注射进胚胎细胞质的很多独特的微小DNA片段。随着细胞在不断成长的胚胎中一再分裂,这些“条形码”找到了进入细胞核的路径并且被纳入到细胞质中。等到试验结束,每个细胞谱系最终拥有了独特的“条形码”组合。通过将这一信息和基因活性进行融合,研究团队能实时追踪细胞命运,以便确定受精卵如何产生各种分化细胞,比如心脏、神经和皮肤。

在另一项独立的研究中,由哈佛大学发育生物学家Alexander Schier领导的团队创建了自己的计算方法,用于追踪正在发育成熟的斑马鱼的细胞。该团队在早期胚胎生长的9个小时里每隔45分钟进行细胞取样并对这些细胞的mRNA进行测序后,软件通过获取完全分化细胞的基因活性并且分析哪些细胞拥有最相似的基因活性,重构了每个细胞的“传记”。该系统可向后推导每个胚胎阶段,直到最开始的未分化细胞。

Schier表示,重构结果表明,初始的单细胞胚胎产生了25种主要的细胞类型。

此项分析引发了一些震惊。发育生物学家曾认为,一旦细胞朝着变成诸如肌肉细胞的路径前进,便不会再发生偏离。然而,Schier和同事报告称,基因活性的变化显示,一些斑马鱼细胞在中途转向并形成不同的类型。“整个画面比我们想象的复杂很多。”Megason表示。

对于热带爪蟾(青蛙的一种)来说,Kirschner和Klein在胚胎受精后的5~22个小时里对10个不同阶段进行了单细胞RNA测序。该团队最终读取了13.7万个细胞的mRNA。基因活性数据显示,即便在青蛙胚胎看上去是未分化的一团时,它们的细胞也开始呈现最终的身份。

当Klein、Kirschner和Megason比较了针对青蛙和斑马鱼的研究结果时,他们发现了令人震惊的差异。例如,特定细胞类型的发育路径因物种不同而出现很大变化。同时,尽管关键转录因子基因的活性在常见细胞类型中相似,但在一些细胞类型中其他基因的活性远超之前研究人员认为的两个物种之间的差异。

此类研究还可能为想制造新细胞类型的干细胞科学家和组织工程师提供了“菜谱”。华盛顿大学发育生物学家David Kimelman认为,最新结果“在理解发育生物学领域最基本问题方面,真的是一大力作和壮举”。

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