三篇Science解讀生命誕生奇跡：為什麼一個受精卵能創造整個身體
你的生命起源於一顆小小的受精卵，在其他身體部位還沒有出現時，受精卵已經寫好了伴隨你一生的遺傳程式，這個程式決定了你體內每個細胞的不同身份、特點和功能。
4月26日，3項里程碑式成果研究分別發表3篇《Science》論文，共同講述史上最全面的脊椎動物胚胎發育內在基因活動快照。
導言
巴塞爾大學（University of Basel）生物研究中心（Biozentrum）主任Alexander F. Schier課題組利用單個胚胎細胞研究了心臟、神經和血細胞的發育過程。他們是世界上率先具備成功重建單個胚胎細胞發育軌跡的實驗室之一，這篇內含約40000個細胞成長記錄的研究結果發表於《Science》雜誌【1】。
哈佛醫學院（Harvard Medical School，HMS）系統生物學助理教授、其中兩篇文章的通訊作者Allon Klein分別與HMS系統生物學教授Marc Kirschner課題組和HMS系統生物學助理教授Sean G. Megason課題組合作，
成功秘訣
“理解一個有機體如何產生，需要知道哪些基因被打開或關閉，這些決定細胞命運的安排在靜態的基因組序列中是看不出來的，”Megason說。“先進的技術方法是我們系統地、定量地解決這個問題的關鍵。
為了繪製胚胎發育過程中每一個細胞的譜系，連同指示新細胞狀態的基因表達事件的精確序列，研究團隊開發了包括人工DNA條碼追蹤“TracerSeq”在內的一系列新型實驗和計算技術。
高通量單細胞測序技術
Allon Klein等人採用HMS開發的inDrop單細胞測序技術，為每個胚胎細胞捕獲一次基因表達資料，超24個小時記錄時間內多個採樣時間點，共計檢測了超過200,000個細胞。
同期兩篇文章通訊作者Allon Klein
Klein和Megason分析比較了92000個來自7個不同胚胎階段的斑馬魚細胞，從4小時胚胎到基本器官開始顯現的受精後24小時。每個細胞的基因活動模式揭示了它的發展方向和最終身份。
斑馬魚胚胎發育動態過程截圖
Klein和Kirschner對非洲爪蛙受精卵受精後5小時至22小時期間的10個胚胎階段的137000個細胞進行了單細胞RNA測序。
Alex Schier（他在哈佛大學也領導了一個研究小組）和Jeffrey A. Farrell（一作）、Aviv Regev（通訊作者）等人採用Broad研究所和HMS開發的Drop-Seq單細胞測序技術，高品質地完成了單個細胞的完整分化歷史跟蹤。他們在斑馬魚胚胎發育的最初9個小時內，每隔45分鐘採集一次細胞mRNA資訊，
Alex Schier
在以前，該領域研究只基於少數基因檢測，現在，高通量單細胞RNA測序技術使人們有能力分析細胞發育過程中所有基因活性。面對龐大的資料量，Broad研究所Aviv Regev等人開發的URD軟體承擔了合併和比較資料的計算工作，追蹤每個個體細胞的發育，繪製廣泛分支的發育樹，並將所有細胞映射到早期胚胎的空間起源。
顛覆性發現
a）人為什麼長得不一樣？
過去，發育生物學家普遍認為，一旦細胞進入某個發育路徑（比如肌肉細胞），它就不會走偏，就好比從山頂扔下來的大石頭，勢不可擋。但是，這三篇文章顛覆了之前的假設，文章指出，在某些關鍵的發育分支點上，一些細胞似乎原本沿著一個發育軌跡，但後來卻改變命運到了另一軌跡。另一些細胞啟動了兩個不同的發育程式，雖然它們最終會採用其中一個身份，但這種情況會增加整體出現不同藍圖的可能性，暗示存在超越基因的引導細胞命運的因素。
“事情比我們想像的複雜得多，”Megason說。“
這些證據表明，環境信號對胚胎細胞具有強烈影響，以至於讓特定細胞離開最初的發育路徑，走向新的身份，使最終個體呈現豐富表型。
“隨著細胞越來越多，我們必須懷疑，它們的最終命運是由於某種選擇性的力量或與環境的互動來決定的，而不僅僅是基因工程，”Kirschner說。
b）保守性不能只看基因DNA序列
儘管不同物種的基因DNA序列和它們的編碼蛋白結構幾乎相同，但表達模式卻非常不同。
Klein、Kirschner和Megason將爪蛙和斑馬魚兩項實驗的資料進行比較後發現了驚人差異。例如，某些細胞類型的發育路線因物種而異。儘管常見細胞系的關鍵轉錄因數活性相似，但一些細胞類型明顯存在種間非預期差異。
作為原理證明，Klein和Megason團隊使用CRISPR/Cas9基因編輯系統創建了一種突變版本的腱蛋白（chordin）斑馬魚模型，Schier團隊則構建了一個“獨眼針頭（one-eyed pinhead）”基因途徑突變版本的斑馬魚。
再用單細胞測序分析兩種突變版本的斑馬魚胚胎，結果證實了這些突變對整個胚胎發育中的細胞和新生組織的影響。
出乎意料的是，兩個課題組都發現，儘管分別丟失一個基本信號通路，突變型和野生型的基因表達在單細胞水準是一致的，但是，不同細胞類型的比例卻發生了變化。
“這是一個非常令人不愉快的結果，它違背了我們對發育和生物學的所有直覺，”Klein說。“這直接挑戰了我們過去定義某種細胞的根本。”
“當科學家發現物種間存在保守性時，他們就把它作為標記來慶祝，以至於忽略其他非保守特徵。”Megason說。“定量後的資料有助於我們克服這些偏見。”
c）“環”和“樹”
過去，不同的細胞分化過程被認為是“樹”狀分支模式，但研究小組觀察到，從共同祖細胞分支出來的不同細胞類型竟然可以形成“環”狀分支。例如，生產平滑肌、某些神經元和顱面骨的神經脊（neural crest），最初來自神經和皮膚前體細胞，同時也會從骨和軟骨前體細胞中形成。
結果表明，處於同一狀態的細胞的來歷也可能不同。“把細胞進化想像成樹枝，真是想得太簡單了，”Klein說。
“這三項研究是科學界通過處理互補性問題回答生物學關鍵問題的一個示範，”Schier說。“在過去兩年，我們這幾個團體經常接觸，拋棄競爭地交流成果。三篇文章彼此互補，在資料生成、分析和解釋方面各有重點。”
三篇文章的所有資料集和分析工具現已作為互動式的、可流覽的線上資源開放。兩種重要模式動物的不同細胞遺傳“目錄”為發育生物學和疾病研究提供了前所未有的豐富資源。
原文檢索：
1. Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis
2. The dynamics of gene ex pression in vertebrate embryogenesis at single-cell resolution
3. Single-cell mapping of gene ex pression landscapes and lineage in the zebrafish embryo
面對龐大的資料量，Broad研究所Aviv Regev等人開發的URD軟體承擔了合併和比較資料的計算工作，追蹤每個個體細胞的發育，繪製廣泛分支的發育樹，並將所有細胞映射到早期胚胎的空間起源。顛覆性發現
a）人為什麼長得不一樣？
過去，發育生物學家普遍認為，一旦細胞進入某個發育路徑（比如肌肉細胞），它就不會走偏，就好比從山頂扔下來的大石頭，勢不可擋。但是，這三篇文章顛覆了之前的假設，文章指出，在某些關鍵的發育分支點上，一些細胞似乎原本沿著一個發育軌跡，但後來卻改變命運到了另一軌跡。另一些細胞啟動了兩個不同的發育程式，雖然它們最終會採用其中一個身份，但這種情況會增加整體出現不同藍圖的可能性，暗示存在超越基因的引導細胞命運的因素。
“事情比我們想像的複雜得多，”Megason說。“
這些證據表明，環境信號對胚胎細胞具有強烈影響，以至於讓特定細胞離開最初的發育路徑，走向新的身份，使最終個體呈現豐富表型。
“隨著細胞越來越多，我們必須懷疑，它們的最終命運是由於某種選擇性的力量或與環境的互動來決定的，而不僅僅是基因工程，”Kirschner說。
b）保守性不能只看基因DNA序列
儘管不同物種的基因DNA序列和它們的編碼蛋白結構幾乎相同，但表達模式卻非常不同。
Klein、Kirschner和Megason將爪蛙和斑馬魚兩項實驗的資料進行比較後發現了驚人差異。例如，某些細胞類型的發育路線因物種而異。儘管常見細胞系的關鍵轉錄因數活性相似，但一些細胞類型明顯存在種間非預期差異。
作為原理證明，Klein和Megason團隊使用CRISPR/Cas9基因編輯系統創建了一種突變版本的腱蛋白（chordin）斑馬魚模型，Schier團隊則構建了一個“獨眼針頭（one-eyed pinhead）”基因途徑突變版本的斑馬魚。
再用單細胞測序分析兩種突變版本的斑馬魚胚胎，結果證實了這些突變對整個胚胎發育中的細胞和新生組織的影響。
出乎意料的是，兩個課題組都發現，儘管分別丟失一個基本信號通路，突變型和野生型的基因表達在單細胞水準是一致的，但是，不同細胞類型的比例卻發生了變化。
“這是一個非常令人不愉快的結果，它違背了我們對發育和生物學的所有直覺，”Klein說。“這直接挑戰了我們過去定義某種細胞的根本。”
“當科學家發現物種間存在保守性時，他們就把它作為標記來慶祝，以至於忽略其他非保守特徵。”Megason說。“定量後的資料有助於我們克服這些偏見。”
c）“環”和“樹”
過去，不同的細胞分化過程被認為是“樹”狀分支模式，但研究小組觀察到，從共同祖細胞分支出來的不同細胞類型竟然可以形成“環”狀分支。例如，生產平滑肌、某些神經元和顱面骨的神經脊（neural crest），最初來自神經和皮膚前體細胞，同時也會從骨和軟骨前體細胞中形成。
結果表明，處於同一狀態的細胞的來歷也可能不同。“把細胞進化想像成樹枝，真是想得太簡單了，”Klein說。
“這三項研究是科學界通過處理互補性問題回答生物學關鍵問題的一個示範，”Schier說。“在過去兩年，我們這幾個團體經常接觸，拋棄競爭地交流成果。三篇文章彼此互補，在資料生成、分析和解釋方面各有重點。”
三篇文章的所有資料集和分析工具現已作為互動式的、可流覽的線上資源開放。兩種重要模式動物的不同細胞遺傳“目錄”為發育生物學和疾病研究提供了前所未有的豐富資源。
原文檢索：
1. Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis
2. The dynamics of gene ex pression in vertebrate embryogenesis at single-cell resolution
3. Single-cell mapping of gene ex pression landscapes and lineage in the zebrafish embryo