科學家在細胞層面深度跟蹤人類發(fā)育

這種新技術(shù)將能讓生物學家提出有關(guān)個體之間、器官之間以及隨著其年齡增長的譜系樹變化的問題。

20世紀80年代初，約翰·薩爾斯頓連續(xù)18個月將時間花費在觀察蠕蟲生長上。他用光學顯微鏡觀察一只秀麗隱桿線蟲的胚胎，并且每隔5分鐘勾勒觀察圖，例如一個受精卵分化為兩個細胞，然后變?yōu)樗膫�、八個，等等。他在英國劍橋醫(yī)學研究理事會分子生物學實驗室的一間小屋內(nèi)獨自安靜地工作，嘗試通過顯微鏡的轉(zhuǎn)動解開生物學的魔方。“我發(fā)現(xiàn)自己的確很少分心。”這位已經(jīng)退休的諾貝爾獎獲得者一度回憶。

他的數(shù)百幅繪圖揭示了早期蠕蟲發(fā)育的嚴格編排，包括671個細胞的精確誕生以及111個（或113個，取決于蠕蟲的性別）細胞的死亡。每個細胞都可以以一系列不變的步驟被追溯到其直系祖先，然后追溯到其直系祖先的上一代。通過這些繪圖和其他資料，薩爾斯頓與合作者繪制了首個且是目前唯一的、完整的多細胞生物細胞譜系樹。

現(xiàn)在，生物學家在單細胞層面編輯基因組以及相關(guān)測序技術(shù)的革命，已經(jīng)引發(fā)了細胞譜系追蹤的復(fù)興。相關(guān)研究不僅吸引了發(fā)育生物學家，還吸引了遺傳學家和技術(shù)開發(fā)者。他們相信了解一個細胞的歷史——它來自哪里，甚至是它發(fā)生了什么——是生物學的下一個偉大前沿之一。目前的研究結(jié)果提供了關(guān)于人類如何發(fā)育的誘人線索。

重構(gòu)歷史

細胞的歷史均被寫在其基因組中：每個被傳給其子細胞的獲得性突變都會有記錄。2005年，以色列魏茨曼科學研究院計算學家Ehud Shapiro計算出，研究人員可利用每個人體細胞的自然變異拼湊出它們?nèi)绾伪宦?lián)系在一起。

他設(shè)想了秀麗隱桿線蟲細胞圖的一個必然發(fā)展結(jié)果，并將其稱為“人類細胞譜系計劃”。但他表示，該領(lǐng)域尚未作好準備。“當我們提出這個設(shè)想時，無論是這個研究領(lǐng)域還是單細胞基因組的名字都不存在�！�

時間飛快向前推進10年，研究人員已經(jīng)研發(fā)出一系列強有力的探索單細胞生物學的工具，包括從它們的RNA分子和蛋白到其個體和特定的基因組�，F(xiàn)在，Shapiro設(shè)想了逐幀捕捉一個人從受精卵成長為成年人的發(fā)育過程的方法。

“我們想要獲得自始至終所有的三維畫面影像�！彼�說。制作這樣的影像并不需要觀察整體基因組。Shapiro團隊正在聚焦布滿基因組的名為“微衛(wèi)星”的DNA重復(fù)延伸。這些序列比其他基因組片段變異更加頻繁，該團隊正在對數(shù)百人細胞基因組中的數(shù)千個類似延伸進行測序，以了解它們?nèi)绾萎a(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

在2015年報告的實驗中，波士頓兒童醫(yī)院和哈佛大學醫(yī)學院發(fā)育生物學家Christopher Walsh團隊測量了3名健康死者（將自己的大腦捐獻用于科研）的36個皮質(zhì)神經(jīng)元的完整基因組。對一人腦細胞之間關(guān)系的重構(gòu)表明，密切關(guān)聯(lián)的細胞分布在大腦皮層，而局部腦區(qū)可包含多種不同細胞譜系，一代又一代的細胞似乎會遠離它們的“祖籍”。例如，一種皮質(zhì)神經(jīng)元與同一人心臟細胞的關(guān)聯(lián)比與周圍其他3/4的神經(jīng)元更加緊密�！拔覀儾⑽戳系綍�是這樣的結(jié)果�！盬alsh說。

其他科學家正在解開成人細胞基因組中生命最早期的記錄。在今年發(fā)表的研究中，英國辛克斯頓惠康信托基金會遺傳學家Michael Stratton和團隊對241名罹患乳腺癌的女性白血細胞進行了測序，以尋找僅在其血液細胞一個子集中發(fā)生的突變。這項研究表明，突變在發(fā)育最初期已經(jīng)存在，或可追溯到兩細胞胚胎時期。

從小斑點到條形碼

西雅圖華盛頓大學遺傳學家Jay Shendure和研究生Aaron McKenna及Greg Findlay意識到，流行的基因編輯工具CRISPR-Cas9對于將可跟蹤的變異引入到他們想要的任何基因組部分來說非常理想。他們與哈佛大學發(fā)育生物學家Alexander Schier領(lǐng)導的實驗室合作，在兩個單細胞斑馬魚胚胎中使用了CRISPR-Cas9，然后用其編輯已被設(shè)計到斑馬魚基因組中的DNA“條形碼”序列。隨后，他們測量了一個成年斑馬魚細胞中的這些條形碼，并利用其體內(nèi)的變異拼湊出它們的譜系。

他們生成的譜系樹表明，少量生命之初形成的胚胎譜系產(chǎn)生了特定器官中的絕大多數(shù)細胞。例如，一條魚超過98%的血紅細胞來自于該團隊追蹤的1000多個細胞系中的5個細胞系。盡管這5個細胞系也會對其他組織作出貢獻，但它們參與那些作用的比例非常低�！斑@完全出乎我的意料�！盨hendure說。他仍在嘗試分析這些數(shù)據(jù)。

德國柏林馬克斯·德爾布呂克分子醫(yī)學中心定量發(fā)育生物學家Jan Philipp Junker和其他人研發(fā)出一系列其他基于CRISPR的技術(shù)，可將發(fā)育歷史拼接在一起。他和荷蘭烏德勒支大學系統(tǒng)生物學家Alexander van Oudenaarden將這一方法用于跟蹤斑馬魚受損鰭的再生。他們發(fā)現(xiàn)，再生的出現(xiàn)方式與發(fā)育相同：當其通過干細胞重塑時，生成原始鰭的較少細胞譜系失去了。這一發(fā)現(xiàn)證實了此前的研究，基于CRISPR的方法讓該團隊追蹤了一項實驗中數(shù)千個細胞譜系。

研究人員不僅在嘗試了解一個生物體的細胞如何彼此相連，還包括在此過程中它們發(fā)生了什么。麻省理工學院合成生物學家Tim Lu說，這樣的記錄可以讓科學家以比目前的細胞重新編輯技術(shù)更加精確的方式修復(fù)細胞的發(fā)育�！拔磥�，你或許會看到一些記錄器的版本被植入細胞療法。”他表示，不過這并非一個很快的過程，“現(xiàn)在我還不會把我的CRISPR記錄器植入到患者體內(nèi)”。

生命的譜系

癌癥是新譜系跟蹤方法可能率先引起轟動的領(lǐng)域�！鞍┌Y是疾病譜系，是一種干細胞疾病�！盬alsh說。研究人員已經(jīng)開始應(yīng)對的一個問題是轉(zhuǎn)移性細胞的起源，它們來自最初的腫瘤，有時會入侵一些遠距離的器官。它們通常是最難擊敗的腫瘤細胞，也是最可能讓患者致死的細胞。

然而，目前，這一領(lǐng)域的前景遠超現(xiàn)實。薩爾斯頓的秀麗隱桿線蟲譜系圖的水平仍然遠遠超過目前的研究工作。加州斯坦福大學生物工程師Stephen Quake設(shè)計了通過CRISPR跟蹤細胞譜系的方法，并決定在蠕蟲中進行驗證。“能有一個黃金標準非常好�！盦uake說。他和團隊在用CRISPR技術(shù)讓發(fā)育期間的基因組產(chǎn)生突變之后，測量了一個成年動物的細胞。這一工作所用的時間比薩爾斯頓用顯微鏡觀察的一年半時間少得多。但Quake表示，他們產(chǎn)生的圖像并不完整。的確，它捕捉到了蛔蟲發(fā)育過程中的一個關(guān)鍵過渡（去往腸道的細胞以及形成身體其他部分的細胞的分離），但它缺少薩爾斯頓用眼睛觀察到的精致細節(jié)。

在魚類、小鼠和人類中，沒有兩個個體的細胞譜系樹看起來是完全一樣的，每個細胞譜系樹都會隨著組織修復(fù)和再生，在個體的生命周期內(nèi)發(fā)生改變。Junker和其他人希望，這種新技術(shù)將能讓生物學家提出有關(guān)個體之間、器官之間以及隨著其年齡增長的譜系樹變化的問題。正如Schier所說的那樣：“我們不知道生成心臟的方法有多少種�！�

正是這種巨大的未知性讓這一類工作具有變革性。加州大學帕薩迪納分校遺傳學家Michael Elowitz說，“它將改變你提出的問題�！盨chier說，薩爾斯頓的繪圖將生物學家?guī)�入一個未知領(lǐng)域，而這也同樣如此�！拔覀儸F(xiàn)在還不能說會確切地發(fā)現(xiàn)什么，但我們有可能將在那里發(fā)現(xiàn)新大陸