在周四发表在《科学》杂志上的三项研究中，哈佛医学院和哈佛大学的研究人员报告说，他们如何系统地分析发育中的斑马鱼和西部爪状青蛙胚胎中的每个细胞，以建立揭示如何一个细胞可以构建整个生物。
研究人员使用单细胞测序技术追踪了胚胎生命的前24小时内单个细胞的轨迹，揭示了哪些基因被打开或关闭以及胚胎细胞何时转变为新的细胞状态和类型的情况。 。
这些发现代表了在两个重要模型物种中产生不同细胞类型的遗传“食谱”目录，为研究发育生物学和疾病提供了前所未有的资源。
哈佛大学分子与细胞生物学教授，其中一项研究的作者亚历山大·席尔说：“我们预见到，任何复杂的生物学过程(其中细胞随时间改变基因表达)都可以重建。” “不仅胚胎的发展，而且癌症或脑退化的发展。”
研究人员从胚胎的每个细胞(一次一个细胞)中捕获了基因表达数据。研究小组在24小时内的多个时间点共同分析了超过20万个细胞。
为了绘制胚胎发育过程中每个细胞的谱系以及标记新细胞状态和类型的基因表达事件的精确序列，研究小组开发了新的实验和计算技术，包括引入人工DNA条形码来追踪细胞之间的血统关系。
哈佛医学院系统生物学副教授肖恩·麦格森说：“了解生物体的产生方式需要知道随着细胞做出命运决定而打开或关闭哪些基因，而不仅仅是基因组的静态序列。”
麦格森说：“这是使我们能够系统地，定量地解决这一问题的第一种技术方法。”
此外，研究人员开发了一种细胞“家族树”，揭示了25种细胞类型的基因表达随着专业化而发生了变化，并设法重建了斑马鱼早期胚胎中各种细胞类型的空间起源。
制作细胞的方法
这些分析是前所未有的，它可以全面详细地揭示事件的级联，这些事件将细胞从早期祖细胞或“种姓”状态转移到功能狭窄的更专门的状态。
研究小组确定了其他难以检测的细节，例如稀有细胞类型和亚型，并将新的高度特异性的基因表达模式与不同的细胞谱系联系起来。在某些情况下，他们发现细胞类型的出现比以前想象的要早得多。
对于希望操纵干细胞以特定命运为目标的科学家，以用功能性器官代替有缺陷的细胞，组织或器官为目标，有关促使特定细胞类型出现的基因表达变化序列的新细节，可以进一步推动这些努力。
“有了这些数据集，如果有人想创建一种特定的细胞类型，那么他们现在就掌握了这些细胞在胚胎中形成时所采取的步骤的方法，”系统生物学助理教授，《科学》杂志的共同作者艾伦·克莱恩说。三个研究中的两个。
克莱因说：“在某种意义上，我们已经建立了一个复杂的分化过程实际上如何在胚胎中发展的黄金标准参考，并为如何系统地重建这些类型的过程树立了榜样。”
新发现
Klein的团队使用CRISPR / Cas9基因编辑系统创建了带有chordin突变形式的斑马鱼，该基因与确定发育中的胚胎的从前到后的方向有关。
Schier的团队采用了类似的方法，对斑马鱼进行了分析，该斑马鱼的另一种模式基因中的突变称为单眼针头。
在进行单细胞测序分析时，研究小组独立地发现，尽管失去了必要的信号传导途径，但在单细胞水平上，突变体和野生型中的基因表达是相同的。但是，不同细胞类型的比例发生了变化。
而且，当研究人员比较斑马鱼和青蛙胚胎之间的细胞状态景观时，他们发现了大部分相似之处。
在某些情况下，他们发现基因的DNA序列及其编码的蛋白质结构在物种之间可能几乎相同，但表达方式却大不相同。
克莱因说：“这确实使我们震惊，因为它违背了我们对发展和生物学的所有直觉。” “它直接挑战了我们关于某种细胞类型意味着什么的想法。”
在另一个发现中，研究小组观察到细胞分化为不同细胞类型的过程通常会形成“环”，这种过程通常认为是在树状结构中发生的，在树状结构中，不同的细胞类型从一个共同的祖细胞分支出来。分支机构。
神经c是一组产生多种组织类型的细胞，包括平滑肌，某些神经元和颅面骨，最初起源于神经和皮肤前体，但可以产生与骨骼和软骨前体几乎相同的细胞。
所有这三个小组还确定了处于某种中间“决策制定”状态的某些细胞群体。
在某些关键的发育分支点，细胞似乎沿着一条发育轨迹下降，但随后将命运改变为另一条轨迹。
哈佛大学医学院系统生物学教授马克·科施纳说：“对于多系细胞，我们必须开始怀疑它们的最终命运是由某种选择性的作用力还是与环境的相互作用所决定，而不仅仅是遗传程序。” -作者。
这组作者说，作为这些研究的一部分而开发的新生成的数据集以及新的工具和技术为未来的广泛探索奠定了基础。
研究小组建议，下一个飞跃将是更好地了解细胞命运决定的制定方式。
麦格森说：“我们需要做的是找出引导细胞沿着某些道路前进的信号，以及使细胞做出这些决定的内部机制。”