在三篇近期发表的里程碑式的文章中，研究者们从单细胞层面系统性研究记录了斑马鱼和非洲爪蟾胚胎发育早期各个细胞的基因表达水平，绘制了发育路线图，以揭秘单个细胞如何发育成整个生命体。这些研究结果详细描述了多种细胞产生过程中的基因“配方”，并且为发育生物学和疾病的研究提供了前所未有的宝贵资源。
多细胞生物，小如线虫，大如蓝鲸，智慧如人类，是否都始于单个卵细胞？
“一花一世界”，单个细胞孕育出构成生物体的成百上千万细胞，繁若星辰。这些细胞只有在正确的时间和正确的位置发育，方能和临近细胞共同发挥它们的功能。
这个是自然界中最令人叹为观止的现象之一，尽管生物学家们已经进行了几十年的研究，目前我们还是不能完全理解这一发育过程的机理。
最近，来自哈佛大学医学院的研究者们系统地研究了发育中的斑马鱼和非洲爪蟾的胚胎中每个细胞，以绘制发育路线图，从而揭秘单细胞如何发育成生物体。这一研究成果发表在《科学》杂志4月26日的最新期刊上。
这些研究团队使用单细胞测序的方法追踪了胚胎发育前24个小时的细胞命运，他们的分析结果揭秘了这一时期各个细胞中基因表达的全景图：哪些基因被激活，哪些基因被抑制，以及胚胎细胞在何时分化为何种状态。
这些研究结果详细描述了两种模式生物多种细胞系产生过程中的基因“配方”，对/为发育生物学和病理学的研究提供了前所未有的重要资源。
“通过单细胞测序，我们可以在一天内获取关于生命发育早期细胞分化的重要信息，而这在过去往往需要数十年的摸索”，Allon Klein如是说，他是哈佛大学医学院系统生物学系的助理教授，其中两篇文章的通讯作者。
从生物医学角度来讲，这些关于生物体如何发育的基础资源和生物体的基因组资源同等重要。
Klein还说：“通过我们的方法，我们也展示了我们所认为的发育生物学的未来：这句话“我们”出现次数太多了，同义词替换或者删减一个就好了～它将转变成一种更加量化，大数据驱动的科学。”
除了推进我们对早期生命发育的理解，这一研究还为研究疾病发生机理打开新的大门，三篇文章的另外一篇的通讯作者，Alexander Schier补充，他是哈佛大学分子细胞学系Leo Erikson生命科学教授。
“可以预见，任何涉及基因表达随时间改变的复杂生物过程都可以用这一方法来研究，不仅仅是胚胎发育，还有癌变过程和脑的神经退行”，Schier继续说道。
一次只研究一个细胞
发育中胚胎里的每个细胞都有一份完整的基因图谱，就像建筑工人在打地基的时候仅仅使用建筑蓝图中有关地基的部分，细胞只有在合适的时间表达必需的基因才能保证胚胎的正常发育。
在他们的研究中，Klein与文章的共同作者哈佛医学院系统生物学系的John Franklin Enders教授Marc Kirschner，哈佛医学院系统生物学副教授Sean Megason，以及其他同事合作来分析斑马鱼和非洲爪蟾的胚胎：这两种生物/它们（不会引起歧义的情况下，尽量避免和“两种模式生物”重复）是发育生物学领域广为使用的两种模式生物。
研究者们利用了InDrops来获取胚胎中单个细胞的基因表达数据，这是由哈佛医学院Klein, Kirschner和他们的同时/同事开发的单细胞测序技术。他们的研究团队广泛地研究了20多万细胞在两种生物胚胎发育前24小时多个时间节点的基因表达图谱。
为了锚定胚胎发育中每个细胞的来源以及代表精确的基因表达顺序来定位新的细胞状态和类型，该研究团队还研发了新的实验技术和计算方法，包括通过引入人工DNA“条码”来追踪细胞来源，这一技术被命名为TracerSeq。
“研究一个生物体的发育过程，不仅仅需要静态的基因组数据，更需要了解在细胞分化过程中哪些基因被激活或者沉默。”Megason说道，“我们的技术是首个让我们（删）可以系统地量化的解决这一问题的技术。”
Schier领导的研究小组用到了Drop-Seq——一种由哈佛医学院和麻省理工学院的Broad研究院共同开发的单细胞测序的技术——来对斑马鱼早期胚胎12个小时内的发育过程进行高时间分辨率的研究。与Broad研究所的核心成员Aviv Regev合作，Schier和他的同事们使用了URD（命名灵感来源于挪威的命运之神）这一计算方法重构了发育中的细胞轨迹。
Schier及其同事研究了超过38000细胞，并且构建了细胞的“家庭树”图谱，来反映不同基因的表达量如何随25种细胞分化而改变。通过结合基因表达的时间图谱和空间信息，这一研究团队还重构了早期斑马鱼胚胎中各个细胞类型的空间位置。
成功的配方
在这两种物种中，研究者们的发现大多与之前关于胚胎发育的理解相吻合，这也强调/体现（强调放在这里稍显生硬）了这一新方法的可行性。另一方面，这一方法也对 “全能性”细胞分化为更“专能性”细胞过程中一系列的变化提供了前所未有的全面性，细节性的信息。
研究者们也确认了一些用其他方法难以检测到的细节，比如一些稀有细胞种类和亚种，以及将新的，分化末端的基因表达模式联系到不同的细胞系，在几种不同情境中，他们发现细胞分化早于以前所认为的。
对于研究人类疾病机理的科学家来说，这些数据非常重要。例如，在再生医学领域，过去的几十年中研究者们都致力于诱导胚胎干细胞分化成某种特定细胞以取代疾病细胞，组织或者器官。新研究中的关于不同细胞分化过程中的基因表达变化可以促进这些研究。
“如果有人想要诱导某种特殊的细胞种类，通过我们的数据，他们能够知道这一细胞类型在胚胎中是如何形成的。我们已经对胚胎中复杂的分化过程有了相当的了解，并且示范了如何系统性地重演这些过程。”Klein说道。
当与生物学研究中的核心思想之一相结合：通过扰动一个系统来研究发生了什么，单细胞测序可以获取以前的方法难以获得的东西，Klein说。
为了证明他们的结果，Klein， Megason和他们的同事使用了CRISPR/Cas9这一基因编辑技术制造了脊索基因突变的斑马鱼：该基因决定胚胎发育前后方向的。Schier及其同事用类似的方法研究了带有另外一种模式基因突变的斑马鱼：该基因名为one-eyed pinhead，是促进中内胚层发育的重要基因。
使用单细胞测序的方法，研究者们证明了带有脊索突变和one-eyed pinhead突变的斑马鱼的性状与以前所知描述一致，而新的方法更加详细地描述甚至预测这些突变对胚胎细胞发育和早期组织中的影响。
出乎意料的是，这一研究团队独立发现在单细胞层面，尽管一个必需的信号通路消失了，突变中的基因表达和野生型是相同的，但是不同类型细胞的比例却改变了。
“这一研究只有通过最新的技术才得以施行，新技术使我们可以分析成千上万个单个细胞的基因表达。现在我们可获取数据的时间和空间尺度大大提高，所以我们可以重构胚胎发育中几乎所有细胞和基因的轨迹。这就像从前我们只能看到几颗星星，而现在我们可以看到整个宇宙。”Schier说。
重新思索定义
这些研究团队也证明了他们的数据如何可以被用来回答长久以来不得解答的生物问题。/研究团队也用这些数据解释了长久以来不得解答的生物问题。没必要非得和原文一致，咱们翻译自由度还是很大的～“证明数据如何被使用”这种翻译听起来有点别扭，但是当然也没毛病，这里就是提个建议啦
当Klein, Kirschner, Megason和他们的同事们比较斑马鱼和非洲爪蟾的胚胎，他们得到的大部分是相似之处，但是他们的分析有很多意外的发现，其中之一便是在一个物种中标志细胞状态的基因往往在另外一个物种中往往不能很好的标志同样的细胞状态。在几个例子中，他们发现某一基因的DNA序列和所编码的蛋白质在不同物种中几乎相同，但是却有这/着不同的表达模式。蓝色部分还是用词有些重复
“这一发现震惊了我们，因为它几乎颠覆了我们关于发育生物学的直觉，它是一个让人不安的发现，因为这一发现直接地挑战了我们关于如何定义一种细胞的观念。”Klein说。
研究者们认为，这些惊人发现在以往的研究中没有被发现的原因有可能是计算分析“关注”数据和/的方式与人类完全不同。
“我认为这反映了一定程度的认知偏差，科学家们的注意力往往被于不同物种间的保守的基因所吸引，而忽视那些非保守的特征，而定量的数据帮助我们去除这些偏差。”Megason评论道。
这些科研团队的另外一项惊人发现是：细胞分化成不同细胞类型的过程——以往分化过程往往被认为是一种树状结构：不同的细胞类型从同一个祖先细胞分化而来——实际上不仅仅是“树杈状”，也可以是“环状”。
例如，神经嵴细胞——可以分化成不同细胞类型，诸如平滑肌，一些神经元和颅面骨——最早产生于神经和皮肤前体，但是也可以产生骨细胞和软骨细胞前体。
这些新结果说明类似的环状分化也可能在其他情况下出现，同一状态下的细胞可以拥有完全不同的发育历史这一发现说明了我们以前把发育过程看作“树状结构”的观念过于简单，Klein说。
这三个研究组都确认了存在一部分细胞处于细胞命运决定的中间态。Schier和同事们发现，在一些关键的发育节点，细胞看似走向一个发育轨迹，但是却可以随后改变它们的细胞命运从而走向另外的发育轨迹。
Klein, Megason, Kirschner和他们的同事们共同发现，在发育的早期，有的细胞会同时激活两套不同的发育程序，尽管这些细胞最终会发育成一种细胞，这些发现为研究细胞如何发育走向它们最终的命运提供了更多的细节，并且暗示了细胞命运不仅仅在基因表达层面被调控。
“通过多种细胞系，我们不禁怀疑细胞的最终命运是否被一些除了基因之外的选择性因素或者与环境的相互作用所左右。”Kirschner说。
未来的方向
新产生的实验数据以及该研究所开发的新的技术和工具为未来的研究奠定了良好的基础。
发育生物学家们可以从不同的生物获取更多更高质量的数据，无论是继续研究胚胎发育的其他时期还是进行干预实验，都将提高我们对生物发育的基本原则和疾病发生的认识。
这些资源也可以作为不同实验室之间进行合作交流的基础，因为大部分实验室没有独立生产/获得和分析所有数据的能力。
"“我认为这些研究为整个科研圈合作交流提供了良好的模型，研究者们提出问题并且互相合作，已/以解决胚胎发育早期的问题。”Kirschner说。
Schier评论，这三个研究都是科研社区如何互相合作来回答同一重要生物问题不同侧面的典范。
“我们的研究组在过去两年里保持良好的交流，协调文章的发表，这三篇文章互为补充：每篇文章都从不同的侧面展示了如此复杂的数据是如何产生，分析和解释的。”
这些研究组们认为下一步重要工作是更好的了解细胞命运是如何被决定的。
"理是什么。”Megason说。
无论未来如何，这些数据都已经留下了它们的印记。
“研究生物体的美丽之处就在于：它们就在那里，它们就是这样：从现在开始，十年，二十年，我们仍然确定斑马鱼和蛙将会沿着同样的模式发育。”Klein说。
这三个研究组都将他们的数据和研究工具公开在网上。
内容由哈佛大学医学院提供，原稿由Kevin Jiang撰写。
参考文献：
James A. Briggs, Caleb Weinreb, Daniel E. Wagner, Sean Megason, Leonid Peshkin, Marc W. Kirschner, Allon M. Klein. The dynamics of gene expression in vertebrate embryogenesis at single-cell resolution. Science, 2018; eaar5780 DOI: 10.1126/science.aar5780
Daniel Wagner et al. Systematic mapping of cell state trajectories, cell lineage, and perturbations in the zebrafish embryo using single cell transcriptomics. Science, 2018
Jeffrey A. Farrell, Yiqun Wang, Samantha J. Riesenfeld, Karthik Shekhar, Aviv Regev, Alexander F. Schier. Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis. Science, 2018; eaar3131 DOI: 10.1126/science.aar3131
翻译：矫骏逸
审稿：柯奎宇
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