無論是蠕蟲，人類還是藍(lán)鯨，所有多細(xì)胞生命都以單細(xì)胞蛋開始。從這個孤立的細(xì)胞中出現(xiàn)了構(gòu)建有機(jī)體所需的其他星系，每個新細(xì)胞在正確的時間在正確的位置發(fā)展，以便與鄰居協(xié)調(diào)發(fā)揮精確的功能。

這一壯舉是自然界中最引人注目的壯舉之一，盡管經(jīng)過數(shù)十年的研究，生物學(xué)家仍然無法完全理解這一過程?，F(xiàn)在，在公布的4月26日在線三大標(biāo)志性研究科學(xué)，哈佛醫(yī)學(xué)院和哈佛大學(xué)的研究人員報告說，他們是如何有系統(tǒng)地異形每一個細(xì)胞都在發(fā)展中斑馬魚和青蛙胚胎建立一個路線圖，揭示了一個細(xì)胞如何建立一個完整的有機(jī)體。

使用單細(xì)胞測序技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)在胚胎生命的最初24小時內(nèi)追蹤個體細(xì)胞的命運(yùn)。他們的分析揭示了基因開啟或關(guān)閉的綜合景觀，以及何時，當(dāng)胚胎細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌募?xì)胞狀態(tài)和類型時。

總之，這些發(fā)現(xiàn)代表了遺傳“配方”的目錄，用于在兩個重要的模式物種中產(chǎn)生不同的細(xì)胞類型，并為發(fā)育生物學(xué)和疾病的研究提供了前所未有的資源。

“通過單細(xì)胞測序，我們可以在一天的工作中，重溫幾十年來對細(xì)胞在生命早期階段做出的決策的艱苦研究，”系統(tǒng)生物學(xué)HMS助理教授兼兩位共同作者Allon Klein說。三項(xiàng)科學(xué)研究。

研究人員表示，生物醫(yī)學(xué)方面，這些生物體如何發(fā)展的基線資源與為其基因組提供基線資源同樣重要。

“通過我們開發(fā)的方法，我們正在繪制我們認(rèn)為發(fā)展生物學(xué)的未來將會轉(zhuǎn)變?yōu)槎康模?#39;大數(shù)據(jù)'驅(qū)動的科學(xué)，”Klein說。

Harvard分子與細(xì)胞生物學(xué)Leo Erikson生命科學(xué)教授亞歷山大·希爾(Alexander Schier)表示，除了為生命的早期階段提供新的視角外，這項(xiàng)工作還可以為大量疾病的新認(rèn)識打開大門。第三項(xiàng)研究的作者。

“我們預(yù)見，任何復(fù)雜的生物過程，其中細(xì)胞隨時間改變基因表達(dá)可以使用這種方法重建，”Schier說。“不僅是胚胎的發(fā)育，還有癌癥或腦退化的發(fā)展。”

一次一個

發(fā)育中胚胎中的每個細(xì)胞都攜帶有機(jī)體完整基因組的拷貝。就像建筑工人在鋪設(shè)建筑物的基礎(chǔ)時僅使用藍(lán)圖的相關(guān)部分一樣，細(xì)胞必須在適當(dāng)?shù)臅r間表達(dá)必要的基因以使胚胎正確發(fā)育。

在他們的研究中，Klein與共同作者M(jìn)arc Kirschner，HMS John Franklin Enders大學(xué)教授和系統(tǒng)生物學(xué)主席，Sean Megason，HMS系統(tǒng)生物學(xué)副教授及其同事合作，分析了斑馬魚和西爪蟾青蛙的這一過程(非洲爪蟾(Xenopus tropicalis)胚胎，是生物學(xué)中研究最多的兩種模式物種。

研究人員利用InDrops的強(qiáng)大功能，這是由Klein，Kirschner及其同事在HMS開發(fā)的單細(xì)胞測序技術(shù)，用于從胚胎的每個細(xì)胞中捕獲基因表達(dá)數(shù)據(jù)，一次一個細(xì)胞。兩個物種在24小時內(nèi)的多個時間點(diǎn)收集了數(shù)萬個細(xì)胞的數(shù)據(jù)。

為了繪制胚胎發(fā)育過程中基本上每個細(xì)胞的譜系，以及標(biāo)記新細(xì)胞狀態(tài)和類型的基因表達(dá)事件的精確序列，研究小組開發(fā)了新的實(shí)驗(yàn)和計算技術(shù)，包括引入人工DNA條形碼來跟蹤細(xì)胞之間的譜系關(guān)系，稱為TracerSeq。

“理解生物體是如何制造的，需要知道哪些基因是在細(xì)胞決定命運(yùn)時開啟或關(guān)閉，而不僅僅是基因組的靜態(tài)序列，”梅格森說。“這是第一種技術(shù)方法，使我們能夠系統(tǒng)地和定量地解決這個問題。”

在由Schier共同領(lǐng)導(dǎo)的研究中，研究團(tuán)隊(duì)使用Drop-Seq-由HMS研究人員和麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)Broad研究所開發(fā)的單細(xì)胞測序技術(shù)，以高時間分辨率研究斑馬魚胚胎超過12小時。與Broad，Schier及其同事的核心成員Aviv Regev合作，通過他們命名為URD的計算方法重建了細(xì)胞軌跡，這是在決定所有命運(yùn)的北歐神話人物之后。

Schier及其同事描述了超過38,000個細(xì)胞，并開??發(fā)了一種細(xì)胞“家譜”，揭示了25種細(xì)胞類型中的基因表達(dá)如何變化。通過將這些數(shù)據(jù)與空間推斷相結(jié)合，該團(tuán)隊(duì)還能夠重建早期斑馬魚胚胎中各種細(xì)胞類型的空間起源。

成功秘訣

在這兩個物種中，研究小組的研究結(jié)果反映了之前對胚胎發(fā)育進(jìn)展的了解，這一結(jié)果強(qiáng)調(diào)了新方法的力量。但是這些分析在全面詳細(xì)地揭示將細(xì)胞從早期祖先或“通才”狀態(tài)轉(zhuǎn)移到具有狹義功能的更專業(yè)化狀態(tài)的事件級聯(lián)中是前所未有的。

研究小組確定了其他難以檢測的細(xì)節(jié)，如稀有細(xì)胞類型和亞型，并將新的和高度特異的基因表達(dá)模式與不同的細(xì)胞譜系聯(lián)系起來。在一些案例中，他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞類型的出現(xiàn)遠(yuǎn)早于之前的想法。

對于那些努力回答有關(guān)人類疾病問題的科學(xué)家來說，這些數(shù)據(jù)可能具有強(qiáng)大的啟發(fā)性。例如，在再生醫(yī)學(xué)中，研究人員數(shù)十年來一直致力于將干細(xì)胞用于特定的命運(yùn)，目的是用功能性細(xì)胞替代缺陷細(xì)胞，組織或器官。關(guān)于特定細(xì)胞類型出現(xiàn)的基因表達(dá)變化序列的新收集細(xì)節(jié)可以進(jìn)一步推動這些努力。

“有了這些數(shù)據(jù)集，如果有人想制作一種特定的細(xì)胞類型，他們現(xiàn)在可以獲得這些細(xì)胞在胚胎中形成的步驟的配方，”Klein說。“從某種意義上說，我們已經(jīng)為復(fù)雜的分化過程在胚胎中的實(shí)際進(jìn)展建立了黃金標(biāo)準(zhǔn)參考，并為如何系統(tǒng)地重建這些類型的過程樹立了榜樣。”

克萊因說，當(dāng)結(jié)合生物學(xué)探究的核心概念之一 - 破壞系統(tǒng)以研究發(fā)生了什么的想法時，單細(xì)胞測序可以產(chǎn)生以前難以獲得的見解。

作為原理的證明，Klein，Megason及其同事使用CRISPR / Cas9基因編輯系統(tǒng)來創(chuàng)建具有突變形式的chordin的斑馬魚，chordin是一種參與確定發(fā)育中胚胎的從后向前方向的基因。Schier及其同事采用了一種類似的方法，通過對斑馬魚進(jìn)行分析，在不同的模式基因(稱為單眼針頭)中進(jìn)行突變。

當(dāng)用單細(xì)胞測序分析時，研究小組確認(rèn)了以前已知的chordin和單眼針頭突變體的描述，并且可以詳細(xì)描述甚至預(yù)測這些突變對整個胚胎發(fā)育中的細(xì)胞和新生組織的影響。

出乎意料的是，這些組獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，在單細(xì)胞水平，基因表達(dá)在突變體和野生型中是相同的，盡管喪失了必需的信號傳導(dǎo)途徑。然而，不同細(xì)胞類型的比例發(fā)生了變化。

“這項(xiàng)工作只有通過最近的技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)，這些技術(shù)讓我們可以分析成千上萬個細(xì)胞中的基因表達(dá)，”Schier說。“現(xiàn)在規(guī)模要大得多，因此我們可以在胚胎發(fā)生過程中重建幾乎所有細(xì)胞和所有基因的軌跡。這幾乎就像是從看到幾顆恒星看到整個宇宙。”

重新思考定義

研究小組還展示了如何開采這些數(shù)據(jù)來回答生物學(xué)中長期存在的基本問題。

當(dāng)Klein，Kirschner，Megason及其同事比較斑馬魚和青蛙胚胎之間的細(xì)胞狀態(tài)時，他們發(fā)現(xiàn)了大多數(shù)相似之處。但他們的分析也揭示了許多驚喜。其中一個觀察結(jié)果是，在一個物種中標(biāo)記細(xì)胞狀態(tài)的基因通常是其他物種中相同細(xì)胞狀態(tài)的差基因標(biāo)記。在一些情況下，他們發(fā)現(xiàn)基因的DNA序列 - 以及它編碼的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) - 在物種之間可能幾乎相同但具有非常不同的表達(dá)模式。

“這讓我們感到震驚，因?yàn)樗`背了我們對發(fā)展和生物學(xué)的所有直覺，”克萊因說。“這是一個非常不舒服的觀察。它直接挑戰(zhàn)了我們對某種'細(xì)胞類型'意味著什么的想法。”

研究人員推測，之前未發(fā)現(xiàn)這些差異的原因在于，計算分析以一種與人類如何根本不同的方式“關(guān)注”數(shù)據(jù)。

“我認(rèn)為這反映了一定程度的確認(rèn)偏見。當(dāng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)物種之間保守的東西時，他們會將其作為標(biāo)記來慶祝，”梅格森說。“但通常情況下，所有其他非保守特征都會被忽略。定量數(shù)據(jù)有助于我們擺脫這些偏見。”

在另一個驚人的發(fā)現(xiàn)中，研究小組觀察到細(xì)胞分化為不同細(xì)胞類型的過程 - 通常被認(rèn)為發(fā)生在樹狀結(jié)構(gòu)中，其中不同的細(xì)胞類型從共同的祖先細(xì)胞分支 - 也可以形成“環(huán)”作為分支。

例如，神經(jīng)嵴 - 一組產(chǎn)生多種組織類型的細(xì)胞，包括平滑肌，某些神經(jīng)元和顱面骨 - 最初是從神經(jīng)和皮膚前體中出現(xiàn)的，但眾所周知，它們會產(chǎn)生幾乎與骨骼相同的細(xì)胞。和軟骨前體。

新結(jié)果表明在其他情況下可能會出現(xiàn)類似的循環(huán)?？巳R因說，處于相同狀態(tài)的細(xì)胞可能具有非常不同的發(fā)育歷史，這表明我們將發(fā)展作為“樹”的等級觀點(diǎn)過于簡化了。

所有三個團(tuán)隊(duì)還確定了某種中間“決策”狀態(tài)中存在的某些細(xì)胞群。Schier及其同事發(fā)現(xiàn)，在某些關(guān)鍵的發(fā)育分支點(diǎn)，細(xì)胞似乎沿著一條發(fā)展軌跡走下去，但隨后又將命運(yùn)改變?yōu)榱硪粭l軌跡。

Klein，Megason，Kirschner及其同事做了一個相關(guān)的觀察，即在開發(fā)早期，一些細(xì)胞激活了兩個不同的發(fā)育計劃。盡管這些中間細(xì)胞最終將采用單一身份，但這些發(fā)現(xiàn)增加了細(xì)胞如何發(fā)展其最終命運(yùn)的圖景，并暗示可能存在超出基因參與指導(dǎo)細(xì)胞命運(yùn)的因素。

“對于多系細(xì)胞，我們必須開始懷疑它們的最終命運(yùn)是由某種選擇性力量還是與環(huán)境相互作用決定，而不僅僅是遺傳程序，”Kirschner說。

未來的基礎(chǔ)

這組作者說，作為這些研究的一部分而開發(fā)的新生成的數(shù)據(jù)集和新的工具和技術(shù)為未來的廣泛探索奠定了基礎(chǔ)。

發(fā)育生物學(xué)家可以收集更多更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，及時跟蹤胚胎并進(jìn)行任何數(shù)量的擾動實(shí)驗(yàn)，所有這些都有助于提高我們對生物學(xué)和疾病基本規(guī)則的理解。

作者指出，這些資源也可以作為協(xié)作和互動的焦點(diǎn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)實(shí)驗(yàn)室沒有足夠的專業(yè)知識來利用所有數(shù)據(jù)和信息。

“我認(rèn)為這些研究正在創(chuàng)造一種真實(shí)的社區(qū)意識，研究人員提出問題并以一種可以追溯到早期胚胎學(xué)研究的方式相互作用，”克爾施納說。

Schier說，這三項(xiàng)研究是科學(xué)界如何處理補(bǔ)充問題以回答生物學(xué)中的重要問題的一個例子。

他說：“過去兩年，我們的團(tuán)隊(duì)不是競爭，而是經(jīng)常接觸并協(xié)調(diào)我們研究的出版。”“這三篇論文的互補(bǔ)性非常好 - 每篇論文都強(qiáng)調(diào)了生成，分析和解釋這些復(fù)雜數(shù)據(jù)集的不同方式。”

團(tuán)隊(duì)建議，下一個概念上的飛躍將是更好地理解細(xì)胞命運(yùn)決策是如何做出的。

“現(xiàn)在，我們有一個路線圖，但它并沒有告訴我們這些跡象是什么，”梅格森說。“我們需要做的是找出將細(xì)胞引導(dǎo)到某些道路上的信號，以及允許細(xì)胞做出這些決定的內(nèi)部機(jī)制。”

無論未來如何，這些數(shù)據(jù)集都將留下自己的印記。

克萊因說：“在一個有機(jī)體上工作的美妙之處在于它就是這樣。”“十年，20年后，我們?nèi)匀豢梢源_定斑馬魚和青蛙將按照相同的模式發(fā)展。”

所有三個研究團(tuán)隊(duì)都將他們的數(shù)據(jù)集和工具作為交互式，可瀏覽的在線資源提供。