无论是蠕虫，人类还是蓝鲸，所有多细胞生命都以单细胞蛋开始。从这个孤立的细胞中出现了构建有机体所需的其他星系，每个新细胞在正确的时间在正确的位置发展，以便与邻居协调发挥精确的功能。

这一壮举是自然界中最引人注目的壮举之一，尽管经过数十年的研究，生物学家仍然无法完全理解这一过程。现在，在公布的4月26日在线三大标志性研究科学，哈佛医学院和哈佛大学的研究人员报告说，他们是如何有系统地异形每一个细胞都在发展中斑马鱼和青蛙胚胎建立一个路线图，揭示了一个细胞如何建立一个完整的有机体。

使用单细胞测序技术，研究团队在胚胎生命的最初24小时内追踪个体细胞的命运。他们的分析揭示了基因开启或关闭的综合景观，以及何时，当胚胎细胞转变为新的细胞状态和类型时。

总之，这些发现代表了遗传“配方”的目录，用于在两个重要的模式物种中产生不同的细胞类型，并为发育生物学和疾病的研究提供了前所未有的资源。

“通过单细胞测序，我们可以在一天的工作中，重温几十年来对细胞在生命早期阶段做出的决策的艰苦研究，”系统生物学HMS助理教授兼两位共同作者Allon Klein说。三项科学研究。

研究人员表示，生物医学方面，这些生物体如何发展的基线资源与为其基因组提供基线资源同样重要。

“通过我们开发的方法，我们正在绘制我们认为发展生物学的未来将会转变为定量的，'大数据'驱动的科学，”Klein说。

Harvard分子与细胞生物学Leo Erikson生命科学教授亚历山大·希尔(Alexander Schier)表示，除了为生命的早期阶段提供新的视角外，这项工作还可以为大量疾病的新认识打开大门。第三项研究的作者。

“我们预见，任何复杂的生物过程，其中细胞随时间改变基因表达可以使用这种方法重建，”Schier说。“不仅是胚胎的发育，还有癌症或脑退化的发展。”

一次一个

发育中胚胎中的每个细胞都携带有机体完整基因组的拷贝。就像建筑工人在铺设建筑物的基础时仅使用蓝图的相关部分一样，细胞必须在适当的时间表达必要的基因以使胚胎正确发育。

在他们的研究中，Klein与共同作者Marc Kirschner，HMS John Franklin Enders大学教授和系统生物学主席，Sean Megason，HMS系统生物学副教授及其同事合作，分析了斑马鱼和西爪蟾青蛙的这一过程(非洲爪蟾(Xenopus tropicalis)胚胎，是生物学中研究最多的两种模式物种。

研究人员利用InDrops的强大功能，这是由Klein，Kirschner及其同事在HMS开发的单细胞测序技术，用于从胚胎的每个细胞中捕获基因表达数据，一次一个细胞。两个物种在24小时内的多个时间点收集了数万个细胞的数据。

为了绘制胚胎发育过程中基本上每个细胞的谱系，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条形码来跟踪细胞之间的谱系关系，称为TracerSeq。

“理解生物体是如何制造的，需要知道哪些基因是在细胞决定命运时开启或关闭，而不仅仅是基因组的静态序列，”梅格森说。“这是第一种技术方法，使我们能够系统地和定量地解决这个问题。”

在由Schier共同领导的研究中，研究团队使用Drop-Seq-由HMS研究人员和麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所开发的单细胞测序技术，以高时间分辨率研究斑马鱼胚胎超过12小时。与Broad，Schier及其同事的核心成员Aviv Regev合作，通过他们命名为URD的计算方法重建了细胞轨迹，这是在决定所有命运的北欧神话人物之后。

Schier及其同事描述了超过38,000个细胞，并开​​发了一种细胞“家谱”，揭示了25种细胞类型中的基因表达如何变化。通过将这些数据与空间推断相结合，该团队还能够重建早期斑马鱼胚胎中各种细胞类型的空间起源。

成功秘诀

在这两个物种中，研究小组的研究结果反映了之前对胚胎发育进展的了解，这一结果强调了新方法的力量。但是这些分析在全面详细地揭示将细胞从早期祖先或“通才”状态转移到具有狭义功能的更专业化状态的事件级联中是前所未有的。

研究小组确定了其他难以检测的细节，如稀有细胞类型和亚型，并将新的和高度特异的基因表达模式与不同的细胞谱系联系起来。在一些案例中，他们发现细胞类型的出现远早于之前的想法。

对于那些努力回答有关人类疾病问题的科学家来说，这些数据可能具有强大的启发性。例如，在再生医学中，研究人员数十年来一直致力于将干细胞用于特定的命运，目的是用功能性细胞替代缺陷细胞，组织或器官。关于特定细胞类型出现的基因表达变化序列的新收集细节可以进一步推动这些努力。

“有了这些数据集，如果有人想制作一种特定的细胞类型，他们现在可以获得这些细胞在胚胎中形成的步骤的配方，”Klein说。“从某种意义上说，我们已经为复杂的分化过程在胚胎中的实际进展建立了黄金标准参考，并为如何系统地重建这些类型的过程树立了榜样。”

克莱因说，当结合生物学探究的核心概念之一 - 破坏系统以研究发生了什么的想法时，单细胞测序可以产生以前难以获得的见解。

作为原理的证明，Klein，Megason及其同事使用CRISPR / Cas9基因编辑系统来创建具有突变形式的chordin的斑马鱼，chordin是一种参与确定发育中胚胎的从后向前方向的基因。Schier及其同事采用了一种类似的方法，通过对斑马鱼进行分析，在不同的模式基因(称为单眼针头)中进行突变。

当用单细胞测序分析时，研究小组确认了以前已知的chordin和单眼针头突变体的描述，并且可以详细描述甚至预测这些突变对整个胚胎发育中的细胞和新生组织的影响。

出乎意料的是，这些组独立发现，在单细胞水平，基因表达在突变体和野生型中是相同的，尽管丧失了必需的信号传导途径。然而，不同细胞类型的比例发生了变化。

“这项工作只有通过最近的技术才能实现，这些技术让我们可以分析成千上万个细胞中的基因表达，”Schier说。“现在规模要大得多，因此我们可以在胚胎发生过程中重建几乎所有细胞和所有基因的轨迹。这几乎就像是从看到几颗恒星看到整个宇宙。”

重新思考定义

研究小组还展示了如何开采这些数据来回答生物学中长期存在的基本问题。

当Klein，Kirschner，Megason及其同事比较斑马鱼和青蛙胚胎之间的细胞状态时，他们发现了大多数相似之处。但他们的分析也揭示了许多惊喜。其中一个观察结果是，在一个物种中标记细胞状态的基因通常是其他物种中相同细胞状态的差基因标记。在一些情况下，他们发现基因的DNA序列 - 以及它编码的蛋白质的结构 - 在物种之间可能几乎相同但具有非常不同的表达模式。

“这让我们感到震惊，因为它违背了我们对发展和生物学的所有直觉，”克莱因说。“这是一个非常不舒服的观察。它直接挑战了我们对某种'细胞类型'意味着什么的想法。”

研究人员推测，之前未发现这些差异的原因在于，计算分析以一种与人类如何根本不同的方式“关注”数据。

“我认为这反映了一定程度的确认偏见。当科学家发现物种之间保守的东西时，他们会将其作为标记来庆祝，”梅格森说。“但通常情况下，所有其他非保守特征都会被忽略。定量数据有助于我们摆脱这些偏见。”

在另一个惊人的发现中，研究小组观察到细胞分化为不同细胞类型的过程 - 通常被认为发生在树状结构中，其中不同的细胞类型从共同的祖先细胞分支 - 也可以形成“环”作为分支。

例如，神经嵴 - 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 - 最初是从神经和皮肤前体中出现的，但众所周知，它们会产生几乎与骨骼相同的细胞。和软骨前体。

新结果表明在其他情况下可能会出现类似的循环。克莱因说，处于相同状态的细胞可能具有非常不同的发育历史，这表明我们将发展作为“树”的等级观点过于简化了。

所有三个团队还确定了某种中间“决策”状态中存在的某些细胞群。Schier及其同事发现，在某些关键的发育分支点，细胞似乎沿着一条发展轨迹走下去，但随后又将命运改变为另一条轨迹。

Klein，Megason，Kirschner及其同事做了一个相关的观察，即在开发早期，一些细胞激活了两个不同的发育计划。尽管这些中间细胞最终将采用单一身份，但这些发现增加了细胞如何发展其最终命运的图景，并暗示可能存在超出基因参与指导细胞命运的因素。

“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力量还是与环境相互作用决定，而不仅仅是遗传程序，”Kirschner说。

未来的基础

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和新的工具和技术为未来的广泛探索奠定了基础。

发育生物学家可以收集更多更高质量的数据，及时跟踪胚胎并进行任何数量的扰动实验，所有这些都有助于提高我们对生物学和疾病基本规则的理解。

作者指出，这些资源也可以作为协作和互动的焦点，因为大多数实验室没有足够的专业知识来利用所有数据和信息。

“我认为这些研究正在创造一种真实的社区意识，研究人员提出问题并以一种可以追溯到早期胚胎学研究的方式相互作用，”克尔施纳说。

Schier说，这三项研究是科学界如何处理补充问题以回答生物学中的重要问题的一个例子。

他说：“过去两年，我们的团队不是竞争，而是经常接触并协调我们研究的出版。”“这三篇论文的互补性非常好 - 每篇论文都强调了生成，分析和解释这些复杂数据集的不同方式。”

团队建议，下一个概念上的飞跃将是更好地理解细胞命运决策是如何做出的。

“现在，我们有一个路线图，但它并没有告诉我们这些迹象是什么，”梅格森说。“我们需要做的是找出将细胞引导到某些道路上的信号，以及允许细胞做出这些决定的内部机制。”

无论未来如何，这些数据集都将留下自己的印记。

克莱因说：“在一个有机体上工作的美妙之处在于它就是这样。”“十年，20年后，我们仍然可以确定斑马鱼和青蛙将按照相同的模式发展。”

所有三个研究团队都将他们的数据集和工具作为交互式，可浏览的在线资源提供。