不論是蠕蟲、人類還是藍鯨，所有的多細胞生物都是從單個細胞卵子開始的。這個細胞產生形成有機體所需的許多其他的細胞，而且每個新的細胞都是在合適的時間在合適的位置上產生的，從而通過與它的相鄰細胞進行合作而精確地發揮它的功能。這一壯舉是自然界中最引人注目的成就之一，而且盡管經過了幾十年的研究，生物學家們還是對這一過程知之甚少。
如今，在三項具有裏程碑意義的研究中，來自美國哈佛醫學院和哈佛大學的研究人員報道他們如何係統性地對發育中的斑馬魚和熱帶爪蟾(Xenopus tropicalis)胚胎內的每個細胞進行分析，從而確定揭示單個細胞如何形成一個完整有機體的路線圖。
這些研究人員利用單細胞測序技術追蹤了胚胎生命的最初24小時內單個細胞的命運。 他們的分析揭示出當胚胎轉變為新的細胞狀態和類型時，哪些基因開啟或關閉以及何時發生的完整圖譜。總之，這些發現代表著在兩種重要的模式生物中產生不同的細胞類型的基因“配方”目錄，並且為研究發育生物學和疾病提供了前所未有的資源。這三項研究的結果於2018年4月26日同時在線發表在Science期刊上，論文標題分別為“Single-cell mapping of gene expression landscapes and lineage in the zebrafish embryo”、“Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis”和“The dynamics of gene expression in vertebrate embryogenesis at single-cell resolution”。第一篇論文的通信作者為哈佛醫學院的Sean G. Megason和Allon M. Klein。第二篇論文的通信作者為哈佛大學的Aviv Regev和Alexander F. Schier。第三篇論文的通信作者為哈佛醫學院的Marc W. Kirschner和Allon M. Klein。
發育中的胚胎內的每個細胞都攜帶有機體的完整基因組。若要胚胎正確地發育，細胞必須在合適的時間裏表達必需的基因。
Klein、Kirschner和及其團隊開發出一種被稱作InDrops的單細胞測序技術，從而能夠每次一個細胞地捕獲斑馬魚和熱帶爪蟾胚胎中每個細胞的基因表達數據。他們在24小時內的多個時間點收集來自這兩種模式生物的成千上萬個細胞的基因表達數據。
當胚胎發育時，為了繪製每個細胞的譜係圖譜和確定標記著新的細胞狀態和類型的基因表達事件的準確順序，Klein團隊和Kirschner團隊開發了新的實驗和計算技術，包括TracerSeq，即導入人工DNA條形碼來追蹤細胞之間的譜係關係。
在Schier領導的一項研究中，Schier團隊利用一種被稱作Drop-Seq的單細胞測序技術在高時間分辨率下研究斑馬魚胚胎12多個小時。通過與Regev合作，Schier團隊利用一種他們稱為URD的計算方法重建出胚胎發育中的細胞軌跡。
Schier團隊分析了38000多個細胞，並開發了揭示當25種細胞類型發生特化時，它們的基因表達發生變化的細胞“家族樹”。通過將這些數據與空間推理相結合，Schier團隊還能夠重建早期斑馬魚胚胎中的各種細胞類型的空間起源。
在這兩種模式生物中，這些研究人員的發現都在很大程度上反映了之前對胚胎發育進展的了解，這一結果凸顯了這些新方法的力量。但是這些分析在全麵詳細地揭示了讓細胞從早期的祖細胞狀態到更加特化的狀態的一係列事件方麵是史無前例的。
這些研究人員鑒定出很難檢測到的細節，比如罕見的細胞類型和亞型，以及將新的高度特定性的基因表達模式與不同的細胞譜係相關聯在一起。在多種情形下，他們發現比之前認為的更早出現的細胞類型。
對努力解決關於人類疾病的問題的科學家們來說，這些數據可能是有啟發性的。比如，在再生醫學領域，人們幾十年來一直致力於將幹細胞轉化為特定的細胞類型以便替換存在缺陷的細胞、組織或器官。這些新獲得的關於一係列促進特定細胞類型出現的基因表達變化的詳細信息能夠進一步推動這方麵的研究工作。(生物穀 Bioon.com)
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參考資料：
1.Daniel E. Wagner, Caleb Weinreb, Zach M. Collins et al. Single-cell mapping of gene expression landscapes and lineage in the zebrafish embryo. Science, Published online: 26 Apr 2018, doi:10.1126/science.aar4362
2.Jeffrey A. Farrell, Yiqun Wang, Samantha J. Riesenfeld et al. Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis. Science, Published online: 26 Apr 2018, doi:10.1126/science.aar3131
3.James A. Briggs, Caleb Weinreb, Daniel E. Wagner et al. The dynamics of gene expression in vertebrate embryogenesis at single-cell resolution. Science, Published online: 26 Apr 2018, doi:10.1126/science.aar5780
