受精卵是我們生命的起點(diǎn)。當(dāng)然，不僅僅是人類(lèi)，線蟲(chóng)和藍(lán)鯨，大多數(shù)多細(xì)胞生物，生命的開(kāi)始都只是這樣一個(gè)細(xì)胞。它不斷分裂，每一個(gè)新的細(xì)胞都能在正確的時(shí)間到達(dá)正確的位置，發(fā)揮正確的功能，最終形成一個(gè)完整的個(gè)體。想起來(lái)了，這個(gè)過(guò)程比女?huà)z扔泥巴的想法酷多了！不得不說(shuō)，這是自然界最偉大的成就之一。

但是，這個(gè)細(xì)胞是怎么做到的呢？你想過(guò)嗎？在本周的《科學(xué)》[1，2，3]中，哈佛大學(xué)和哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員借助單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)，向我們展示了迄今為止在斑馬魚(yú)和非洲爪蟾身上這一過(guò)程最清晰的“路線圖”，一個(gè)受精卵何時(shí)、如何發(fā)育出各種類(lèi)型的細(xì)胞，以及“控制”這一切的基因表達(dá)圖譜。

斑馬魚(yú)的受精卵在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)連續(xù)分裂形成復(fù)雜的胚胎

斑馬魚(yú)的整個(gè)胚胎發(fā)育過(guò)程

非洲爪蟾受精卵的發(fā)育

如何形容這三項(xiàng)研究的偉大？可以說(shuō)，它給我們提供了一個(gè)“遺傳公式”。有了這個(gè)公式，研究人員可以“手動(dòng)控制”斑馬魚(yú)和非洲爪蟾這兩種經(jīng)典模式生物，獲得想要的細(xì)胞類(lèi)型，這為發(fā)育生物學(xué)的研究提供了前所未有的資源。

此外，單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)在研究中的成功也為人們將來(lái)更清楚地了解癌癥等疾病提供了可能性。因?yàn)榧词故菑?fù)雜的生物過(guò)程，研究人員也可以使用他們的研究方法來(lái)重建或模擬細(xì)胞隨著時(shí)間的推移改變基因表達(dá)的過(guò)程[4]。

接下來(lái)是一波圖片~

非洲爪蟾(左)和斑馬魚(yú)(右)在第6、8、10天器官和相應(yīng)基因(左端和右端)的出現(xiàn)和表達(dá)與神經(jīng)外胚層(綠色)、非神經(jīng)外胚層(藍(lán)色)、中胚層(黃色)、內(nèi)胚層(紅色)和其他(黑色)相區(qū)別.......受精卵形成后幾小時(shí)

斑馬魚(yú)受精卵形成后6、8、10小時(shí)(hpf)，形成不同器官的細(xì)胞，最中央的深藍(lán)色是受精卵，以時(shí)間為單位向外輻射

胚胎發(fā)育樹(shù)的繪制

斑馬魚(yú)的不同“器官”(一):發(fā)育樹(shù)中表皮、端腦(大腦左右半球)、尾芽、內(nèi)胚層、脊索、脊索前板的“靜脈形成”(與上面的胚胎發(fā)育樹(shù)相比)

一些基因的表達(dá)(下圖)在發(fā)育過(guò)程中，在不同器官形成的不同階段的表達(dá)(結(jié)合以上兩個(gè)圖，我們可以得到一個(gè)簡(jiǎn)單的基因-器官形成控制關(guān)系)

以脊索前板(左)和脊索前板(右)為例，受精卵形成后不同時(shí)間與受精卵形成有關(guān)的基因表達(dá)。稍微了解一下動(dòng)物學(xué)，脊索是支撐軀干的結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于脊柱，但不像脊柱，它是骨組織，由富含液泡膜的脊索細(xì)胞和附著其上的結(jié)締組織組成。脊索動(dòng)物存在于脊索動(dòng)物門(mén)的動(dòng)物中，但脊索動(dòng)物門(mén)分為頭索動(dòng)物亞門(mén)、尾索動(dòng)物亞門(mén)和脊椎動(dòng)物亞門(mén)三個(gè)亞門(mén)。脊索只在頭索動(dòng)物亞門(mén)終身存在，分別存在于幼蟲(chóng)尾部和其他兩個(gè)亞門(mén)的早期發(fā)育。脊椎動(dòng)物的脊索結(jié)構(gòu)將隨著發(fā)育被脊椎所取代。人類(lèi)和斑馬魚(yú)都屬于脊椎動(dòng)物亞門(mén)。

研究人員使用的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)是示意性的

沒(méi)有尖端技術(shù)的支持，很難取得這樣的成就。單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)是分離每個(gè)細(xì)胞，擴(kuò)增整個(gè)基因組，用第二代測(cè)序儀對(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序。哈佛醫(yī)學(xué)院的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)分析了斑馬魚(yú)和非洲爪蟾從受精卵到完整胚胎的基因表達(dá)譜。

他們使用的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)被稱(chēng)為InDrops。研究人員將大量帶有示蹤劑的不同DNA片段注入受精卵，將其封裝成液滴，并將封裝好的液滴放置在只有人發(fā)寬度的通道中，排隊(duì)測(cè)序。其他帶有示蹤DNA的受精卵被嚴(yán)密監(jiān)測(cè)24小時(shí)，此時(shí)它們的基本器官開(kāi)始成形，受精卵分裂出的每個(gè)新細(xì)胞的“最終身份”已經(jīng)出現(xiàn)。

在分析了20萬(wàn)個(gè)細(xì)胞后，研究人員將這些新細(xì)胞中示蹤DNA傳遞的信息與測(cè)序結(jié)果結(jié)合起來(lái)，這樣他們就可以跟蹤細(xì)胞的命運(yùn)，知道受精卵何時(shí)產(chǎn)生不同的類(lèi)型，如心臟和神經(jīng)細(xì)胞，以及同時(shí)表達(dá)什么基因。

在哈佛大學(xué)的另一項(xiàng)研究中，研究人員使用的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)Drop-Seq的原理與InDrops相同，但傳遞示蹤DNA的方法不同。他們分析了斑馬魚(yú)的38000多個(gè)胚胎細(xì)胞，用計(jì)算機(jī)算法繪制了12小時(shí)內(nèi)的“胚胎發(fā)育樹(shù)”，揭示了受精卵分化出的25種不同類(lèi)型細(xì)胞的基因表達(dá)變化，這也是目前最完整的胚胎發(fā)育樹(shù)。

在研究中，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一些與他們的認(rèn)知相反的事實(shí)。比如過(guò)去學(xué)者認(rèn)為每一個(gè)新分裂的細(xì)胞的命運(yùn)都是由基因書(shū)寫(xiě)的，肌肉細(xì)胞總會(huì)向肌肉細(xì)胞發(fā)展，但實(shí)際上并非如此。一些細(xì)胞會(huì)中途改變類(lèi)型，相應(yīng)地，它們的基因表達(dá)活性也會(huì)改變。

而有些細(xì)胞一開(kāi)始激活兩條發(fā)育途徑，雖然最后只會(huì)選擇其中一條，但研究人員不知道為什么會(huì)選擇這一條，他們認(rèn)為可能有基因以外的因素控制細(xì)胞的命運(yùn)。大自然的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比我們想象的復(fù)雜。

另外，非洲爪蟾和斑馬魚(yú)之間，一些基因的DNA序列和編碼的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)其實(shí)是相同的，只是不同物種之間的表達(dá)差異很大。

未來(lái)，研究人員將研究控制細(xì)胞命運(yùn)的其他因素，以便更好地理解“發(fā)展”的過(guò)程。

三個(gè)團(tuán)隊(duì)把自己的研究成果和開(kāi)發(fā)的計(jì)算方法放在學(xué)校官網(wǎng)上，與其他研究者分享。有興趣的讀者可以自己查~

哈佛醫(yī)學(xué)院團(tuán)隊(duì):

斑馬魚(yú):https://kleintools.hms.harvard.edu/paper _網(wǎng)站/Wagner _斑馬魚(yú)_時(shí)間資源2018/mainpage.html

非洲爪蟾:http://kleintools.hms.harvard.edu/TREE_demo/viewTree.html?爪蟾

哈佛團(tuán)隊(duì):https://portals.broadinstitute.org/single _細(xì)胞/研究/單細(xì)胞-發(fā)育重建-項(xiàng)目-斑馬魚(yú)-胚胎學(xué)

哈佛研究小組使用的計(jì)算方法:https://github.com/farrellja/URD