从胚胎到成年人 科学家在细胞层面深度跟踪人类发育

图片来源：Jasiek Krzysztofiak/Nature

这种新技术将能让生物学家提出有关个体之间、器官之间以及随着其年龄增长的谱系树变化的问题。

20世纪80年代初，约翰·萨尔斯顿连续18个月将时间花费在观察蠕虫生长上。他用光学显微镜观察一只秀丽隐杆线虫的胚胎，并且每隔5分钟勾勒观察图，例如一个受精卵分化为两个细胞，然后变为四个、八个，等等。他在英国剑桥医学研究理事会分子生物学实验室的一间小屋内独自安静地工作，尝试通过显微镜的转动解开生物学的魔方。“我发现自己的确很少分心。”这位已经退休的诺贝尔奖获得者一度回忆。

他的数百幅绘图揭示了早期蠕虫发育的严格编排，包括671个细胞的精确诞生以及111个（或113个，取决于蠕虫的性别）细胞的死亡。每个细胞都可以以一系列不变的步骤被追溯到其直系祖先，然后追溯到其直系祖先的上一代。通过这些绘图和其他资料，萨尔斯顿与合作者绘制了首个且是目前唯一的、完整的多细胞生物细胞谱系树。

现在，生物学家在单细胞层面编辑基因组以及相关测序技术的革命，已经引发了细胞谱系追踪的复兴。相关研究不仅吸引了发育生物学家，还吸引了遗传学家和技术开发者。他们相信了解一个细胞的历史——它来自哪里，甚至是它发生了什么——是生物学的下一个伟大前沿之一。目前的研究结果提供了关于人类如何发育的诱人线索。

重构历史

细胞的历史均被写在其基因组中：每个被传给其子细胞的获得性突变都会有记录。2005年，以色列魏茨曼科学研究院计算学家Ehud Shapiro计算出，研究人员可利用每个人体细胞的自然变异拼凑出它们如何被联系在一起。

他设想了秀丽隐杆线虫细胞图的一个必然发展结果，并将其称为“人类细胞谱系计划”。但他表示，该领域尚未作好准备。“当我们提出这个设想时，无论是这个研究领域还是单细胞基因组的名字都不存在。”

时间飞快向前推进10年，研究人员已经研发出一系列强有力的探索单细胞生物学的工具，包括从它们的RNA分子和蛋白到其个体和特定的基因组。现在，Shapiro设想了逐帧捕捉一个人从受精卵成长为成年人的发育过程的方法。

“我们想要获得自始至终所有的三维画面影像。”他说。制作这样的影像并不需要观察整体基因组。Shapiro团队正在聚焦布满基因组的名为“微卫星”的DNA重复延伸。这些序列比其他基因组片段变异更加频繁，该团队正在对数百人细胞基因组中的数千个类似延伸进行测序，以了解它们如何产生关联。

在2015年报告的实验中，波士顿儿童医院和哈佛大学医学院发育生物学家Christopher Walsh团队测量了3名健康死者（将自己的大脑捐献用于科研）的36个皮质神经元的完整基因组。对一人脑细胞之间关系的重构表明，密切关联的细胞分布在大脑皮层，而局部脑区可包含多种不同细胞谱系，一代又一代的细胞似乎会远离它们的“祖籍”。例如，一种皮质神经元与同一人心脏细胞的关联比与周围其他3/4的神经元更加紧密。“我们并未料到会是这样的结果。”Walsh说。

其他科学家正在解开成人细胞基因组中生命最早期的记录。在今年发表的研究中，英国辛克斯顿惠康信托基金会遗传学家Michael Stratton和团队对241名罹患乳腺癌的女性白血细胞进行了测序，以寻找仅在其血液细胞一个子集中发生的突变。这项研究表明，突变在发育最初期已经存在，或可追溯到两细胞胚胎时期。

从小斑点到条形码

西雅图华盛顿大学遗传学家Jay Shendure和研究生Aaron McKenna及Greg Findlay意识到，流行的基因编辑工具CRISPR-Cas9对于将可跟踪的变异引入到他们想要的任何基因组部分来说非常理想。他们与哈佛大学发育生物学家Alexander Schier领导的实验室合作，在两个单细胞斑马鱼胚胎中使用了CRISPR-Cas9，然后用其编辑已被设计到斑马鱼基因组中的DNA“条形码”序列。随后，他们测量了一个成年斑马鱼细胞中的这些条形码，并利用其体内的变异拼凑出它们的谱系。

他们生成的谱系树表明，少量生命之初形成的胚胎谱系产生了特定器官中的绝大多数细胞。例如，一条鱼超过98%的血红细胞来自于该团队追踪的1000多个细胞系中的5个细胞系。尽管这5个细胞系也会对其他组织作出贡献，但它们参与那些作用的比例非常低。“这完全出乎我的意料。”Shendure说。他仍在尝试分析这些数据。

德国柏林马克斯·德尔布吕克分子医学中心定量发育生物学家Jan Philipp Junker和其他人研发出一系列其他基于CRISPR的技术，可将发育历史拼接在一起。他和荷兰乌德勒支大学系统生物学家Alexander van Oudenaarden将这一方法用于跟踪斑马鱼受损鳍的再生。他们发现，再生的出现方式与发育相同：当其通过干细胞重塑时，生成原始鳍的较少细胞谱系失去了。这一发现证实了此前的研究，基于CRISPR的方法让该团队追踪了一项实验中数千个细胞谱系。

研究人员不仅在尝试了解一个生物体的细胞如何彼此相连，还包括在此过程中它们发生了什么。麻省理工学院合成生物学家Tim Lu说，这样的记录可以让科学家以比目前的细胞重新编辑技术更加精确的方式修复细胞的发育。“未来，你或许会看到一些记录器的版本被植入细胞疗法。”他表示，不过这并非一个很快的过程，“现在我还不会把我的CRISPR记录器植入到患者体内”。

生命的谱系

癌症是新谱系跟踪方法可能率先引起轰动的领域。“癌症是疾病谱系，是一种干细胞疾病。”Walsh说。研究人员已经开始应对的一个问题是转移性细胞的起源，它们来自最初的肿瘤，有时会入侵一些远距离的器官。它们通常是最难击败的肿瘤细胞，也是最可能让患者致死的细胞。

然而，目前，这一领域的前景远超现实。萨尔斯顿的秀丽隐杆线虫谱系图的水平仍然远远超过目前的研究工作。加州斯坦福大学生物工程师Stephen Quake设计了通过CRISPR跟踪细胞谱系的方法，并决定在蠕虫中进行验证。“能有一个黄金标准非常好。”Quake说。他和团队在用CRISPR技术让发育期间的基因组产生突变之后，测量了一个成年动物的细胞。这一工作所用的时间比萨尔斯顿用显微镜观察的一年半时间少得多。但Quake表示，他们产生的图像并不完整。的确，它捕捉到了蛔虫发育过程中的一个关键过渡（去往肠道的细胞以及形成身体其他部分的细胞的分离），但它缺少萨尔斯顿用眼睛观察到的精致细节。

在鱼类、小鼠和人类中，没有两个个体的细胞谱系树看起来是完全一样的，每个细胞谱系树都会随着组织修复和再生，在个体的生命周期内发生改变。Junker和其他人希望，这种新技术将能让生物学家提出有关个体之间、器官之间以及随着其年龄增长的谱系树变化的问题。正如Schier所说的那样：“我们不知道生成心脏的方法有多少种。”

正是这种巨大的未知性让这一类工作具有变革性。加州大学帕萨迪纳分校遗传学家Michael Elowitz说，“它将改变你提出的问题。”Schier说，萨尔斯顿的绘图将生物学家带入一个未知领域，而这也同样如此。“我们现在还不能说会确切地发现什么，但我们有可能将在那里发现新大陆。”