科學家在細胞層面深度跟蹤人類發育

　　這種新技術將能讓生物學家提出有關個體之間、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，然后變為四個、八個，等等。他在英國劍橋醫學研究理事會分子生物學實驗室的一間小屋內獨自安靜地工作，嘗試通過顯微鏡的轉動解開生物學的魔方。“我發現自己的確很少分心。”這位已經退休的諾貝爾獎獲得者一度回憶。

　　他的數百幅繪圖揭示了早期蠕蟲發育的嚴格編排，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。

　　現在，生物學家在單細胞層面編輯基因組以及相關測序技術的革命，已經引發了細胞譜系追蹤的復興。相關研究不僅吸引了發育生物學家，還吸引了遺傳學家和技術開發者。他們相信了解一個細胞的歷史——它來自哪里，甚至是它發生了什么——是生物學的下一個偉大前沿之一。目前的研究結果提供了關于人類如何發育的誘人線索。

　　重構歷史

　　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如何被聯系在一起。

　　他設想了秀麗隱桿線蟲細胞圖的一個必然發展結果，并將其稱為“人類細胞譜系計劃”。但他表示，該領域尚未作好準備。“當我們提出這個設想時，無論是這個研究領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，研究人員已經研發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。現在，Shapiro設想了逐幀捕捉一個人從受精卵成長為成年人的發育過程的方法。

　　“我們想要獲得自始至終所有的三維畫面影像。”他說。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“微衛星”的DNA重復延伸。這些序列比其他基因組片段變異更加頻繁，該團隊正在對數百人細胞基因組中的數千個類似延伸進行測序，以了解它們如何產生關聯。

　　在2015年報告的實驗中，波士頓兒童醫院和哈佛大學醫學院發育生物學家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個皮質神經元的完整基因組。對一人腦細胞之間關系的重構表明，密切關聯的細胞分布在大腦皮層，而局部腦區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，一種皮質神經元與同一人心臟細胞的關聯比與周圍其他3/4的神經元更加緊密。“我們并未料到會是這樣的結果。”Walsh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生的突變。這項研究表明，突變在發育最初期已經存在，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。他們與哈佛大學發育生物學家Alexander Schier領導的實驗室合作，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生了特定器官中的絕大多數細胞。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。“這完全出乎我的意料。”Shendure說。他仍在嘗試分析這些數據。

　　德國柏林馬克斯·德爾布呂克分子醫學中心定量發育生物學家Jan Philipp Junker和其他人研發出一系列其他基于CRISPR的技術，可將發育歷史拼接在一起。他和荷蘭烏德勒支大學系統生物學家Alexander van Oudenaarden將這一方法用于跟蹤斑馬魚受損鰭的再生。他們發現，再生的出現方式與發育相同：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。這一發現證實了此前的研究，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更加精確的方式修復細胞的發育。“未來，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，“現在我還不會把我的CRISPR記錄器植入到患者體內”。

　　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域。“癌癥是疾病譜系，是一種干細胞疾病。”Walsh說。研究人員已經開始應對的一個問題是轉移性細胞的起源，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，這一領域的前景遠超現實。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。”Quake說。他和團隊在用CRISPR技術讓發育期間的基因組產生突變之后，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，他們產生的圖像并不完整。的確，它捕捉到了蛔蟲發育過程中的一個關鍵過渡（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。

　　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和再生，在個體的生命周期內發生改變。Junker和其他人希望，這種新技術將能讓生物學家提出有關個體之間、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。”Schier說，薩爾斯頓的繪圖將生物學家帶入一個未知領域，而這也同樣如此。“我們現在還不能說會確切地發現什么，但我們有可能將在那里發現新大陸。”