每年年末，Science 都會(huì)邀請(qǐng)讀者進(jìn)行微信投票評(píng)選出年度最有影響力的科學(xué)進(jìn)展。今年最后一期，也就是12月20日上線的Science 公布了2018年度十大科學(xué)突破。一系列技術(shù)整合使人類能夠以單個(gè)細(xì)胞為單位細(xì)致追蹤組織和器官發(fā)育的全過程，成為讀者和Science 的記者、編輯們公認(rèn)的Top 1. 同時(shí)，Science還評(píng)選了本年度影響最惡劣的三大科學(xué)事件，賀建奎基因編輯嬰兒事件赫然在列。

單個(gè)細(xì)胞是怎樣發(fā)育成具有多個(gè)器官和數(shù)十億細(xì)胞的成年動(dòng)物的?至少從希波克拉底時(shí)代開始，生物學(xué)家們就為這個(gè)謎題而震懾。這位古希臘醫(yī)生認(rèn)為，母親呼吸的水汽能夠給生長中的嬰兒塑形，但現(xiàn)在我們知道，是DNA最終協(xié)調(diào)了細(xì)胞增殖和分化的過程。正如樂譜寫明了弦樂器、銅管樂器、打擊樂器和木管樂器何時(shí)加入交響樂的演奏，今天，通過整合多項(xiàng)技術(shù)，我們可以揭示出單個(gè)細(xì)胞中的基因何時(shí)啟動(dòng)，指導(dǎo)細(xì)胞發(fā)揮其獨(dú)特的作用。如此，我們便有能力極為細(xì)致地、一個(gè)細(xì)胞、一個(gè)細(xì)胞地去追蹤組織和器官的發(fā)育。這一系列技術(shù)展現(xiàn)出極大的科研潛力，當(dāng)之無愧成為2018年度最佳科學(xué)突破。

從生物體中分離出數(shù)千個(gè)完整細(xì)胞，對(duì)每個(gè)細(xì)胞中表達(dá)的遺傳物質(zhì)進(jìn)行測(cè)序，并通過計(jì)算機(jī)或通過標(biāo)記細(xì)胞來重建它們?cè)诳臻g和時(shí)間上的關(guān)系——這些技術(shù)推動(dòng)了科學(xué)進(jìn)展。德國Max Delbrück分子醫(yī)學(xué)中心的系統(tǒng)生物學(xué)家Nikolaus Rajewsky稱，這些技術(shù)三重奏 “將改變未來十年的研究”。僅在今年，就有許多論文詳述了扁蟲，魚類、青蛙和其他生物如何長出器官和附屬器官。世界各地的團(tuán)隊(duì)正在應(yīng)用這些技術(shù)，研究人體細(xì)胞如何在一生中成熟，組織如何再生，以及細(xì)胞疾病中會(huì)發(fā)生怎樣的變化。

分離數(shù)千個(gè)細(xì)胞，并對(duì)每個(gè)細(xì)胞進(jìn)行測(cè)序，可以讓研究人員概覽不同時(shí)間點(diǎn)每個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生了哪些RNA。而RNA序列對(duì)產(chǎn)生它們的基因是特異的，這樣研究人員就可以判斷出哪些基因是活躍的——正是這些活躍的基因定義了細(xì)胞的功能。

以上描述的就是被稱為單細(xì)胞RNA-seq的技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展了好幾年。不過，去年出現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：有兩個(gè)小組表明這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模已經(jīng)大到足以追蹤早期發(fā)育。一組使用單細(xì)胞RNA-seq技術(shù)檢測(cè)了在同一時(shí)間點(diǎn)提取的果蠅胚胎的8000個(gè)細(xì)胞中的基因活性;另一個(gè)團(tuán)隊(duì)分析了一個(gè)來自線蟲C.elegans的幼蟲期的50,000個(gè)細(xì)胞的基因活性。這些數(shù)據(jù)表明，正是被稱為轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)指導(dǎo)了細(xì)胞分化成特殊類型。

今年，這些團(tuán)隊(duì)和其他研究人員對(duì)脊椎動(dòng)物胚胎進(jìn)行了更為廣泛的分析。他們使用各種復(fù)雜的計(jì)算方法，將不同時(shí)間點(diǎn)的單細(xì)胞RNA-seq結(jié)果聯(lián)系起來，揭示了更復(fù)雜的生物體中定義細(xì)胞類型的基因組的開啟和關(guān)閉。一項(xiàng)研究揭示了斑馬魚受精卵如何產(chǎn)生25種細(xì)胞類型;另一項(xiàng)監(jiān)測(cè)了青蛙在器官形成早期階段的發(fā)育，并確定一些細(xì)胞的分化開始得比先前認(rèn)為的更早。 “這些技術(shù)回答了有關(guān)胚胎學(xué)的基本問題”，哈佛大學(xué)干細(xì)胞生物學(xué)家Leonard Zon說。

研究動(dòng)物四肢再生或全身再生的人們也開始利用單細(xì)胞RNA-seq技術(shù)。有兩個(gè)小組研究了水生扁蟲中的基因表達(dá)模式，這種水生扁蟲被切成碎片之后，仍有極強(qiáng)的再生能力。他們發(fā)現(xiàn)了新的細(xì)胞類型和發(fā)育軌跡，出現(xiàn)于每片碎片重新生長為個(gè)體的時(shí)候。還有一個(gè)小組追蹤了一種蠑螈在失去前肢以后，基因的打開和關(guān)閉。他們發(fā)現(xiàn)，一些成熟的肢體組織恢復(fù)到胚胎未分化狀態(tài)，然后進(jìn)行細(xì)胞和分子重編程，以構(gòu)建新的肢芽。

因?yàn)閱渭?xì)胞測(cè)序必須將細(xì)胞從生物體中分離出來，所以這項(xiàng)技術(shù)本身不能顯示出這些細(xì)胞如何與其臨近細(xì)胞相互作用，也不能鑒定出細(xì)胞的后代。但是通過將標(biāo)記物設(shè)計(jì)到早期胚胎細(xì)胞中，研究人員現(xiàn)在可以追蹤細(xì)胞及其在生物體中的后代。至少有一個(gè)團(tuán)隊(duì)將攜帶不同顏色熒光標(biāo)簽基因的遺傳元件整合進(jìn)早期發(fā)育的胚胎，這些標(biāo)簽隨機(jī)插入細(xì)胞中，為每個(gè)細(xì)胞譜系標(biāo)記不同的顏色。其他團(tuán)隊(duì)利用名為CRISPR的基因編輯技術(shù)來標(biāo)記具有獨(dú)特條形碼標(biāo)識(shí)符的單個(gè)細(xì)胞的基因組，這些條形碼可以傳遞給所有后代。這些基因編輯器可以在后代細(xì)胞中引入新的突變，同時(shí)保留原始突變，使科學(xué)家能夠追蹤譜系怎樣形成新的細(xì)胞類型。

將這些技術(shù)與單細(xì)胞RNA-seq相結(jié)合，研究人員可以監(jiān)測(cè)單個(gè)細(xì)胞的行為，并了解它們?nèi)绾螛?gòu)建到生物體結(jié)構(gòu)中。一個(gè)團(tuán)隊(duì)確定了斑馬魚大腦中超過100種細(xì)胞類型的關(guān)系：研究人員使用CRISPR標(biāo)記早期胚胎細(xì)胞，然后在不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)60,000個(gè)細(xì)胞進(jìn)行分離和測(cè)序，以跟蹤胚胎發(fā)育過程中的基因活動(dòng)。

其他團(tuán)隊(duì)正在應(yīng)用類似的技術(shù)來追蹤發(fā)育中的器官、四肢或其他組織，看看發(fā)育過程中發(fā)生了什么，以及如何出錯(cuò)，導(dǎo)致畸形或疾病。“它就像一個(gè)飛行記錄儀，你在觀察怎樣出錯(cuò)的，而不只是看最后的照片。”加利福尼亞大學(xué)舊金山分校的干細(xì)胞生物學(xué)家Jonathan Weissman說，“我們可以探求那些以前幾乎不可能解決的問題。”

雖然這些技術(shù)不能直接用于發(fā)育中的人類胚胎，但研究人員正在將這些方法應(yīng)用于人體組織和類器官，一個(gè)細(xì)胞一個(gè)細(xì)胞地研究基因活性并表征細(xì)胞類型。一個(gè)名為“人類細(xì)胞圖譜”的國際聯(lián)盟正在努力確定人類細(xì)胞的每種類型，每種類型在體內(nèi)的定位，以及細(xì)胞如何協(xié)作形成組織和器官。已經(jīng)有一個(gè)項(xiàng)目確定了大多數(shù)腎細(xì)胞類型，包括那些易發(fā)生癌變的細(xì)胞類型。另一項(xiàng)研究揭示了懷孕過程中母體和胚胎細(xì)胞之間的相互作用。歐洲有53家機(jī)構(gòu)和60家公司合作，稱為“LifeTime聯(lián)盟”，正在提議利用單細(xì)胞RNA-seq以及其他技術(shù)，在單細(xì)胞水平了解正常組織怎樣向腫瘤、糖尿病和其他疾病發(fā)展。

對(duì)發(fā)育和疾病的高分辨率解析將會(huì)越來越引人注目。已在網(wǎng)上發(fā)布的論文將研究擴(kuò)展到更為復(fù)雜的生物體的發(fā)育過程。研究人員希望將單細(xì)胞RNA-seq與新的顯微成像技術(shù)相結(jié)合，以確定每個(gè)細(xì)胞中獨(dú)特的分子活動(dòng)發(fā)生在哪里，以及相鄰細(xì)胞如何影響該活動(dòng)。

單細(xì)胞革命才剛剛開始。