科学家揭示了构建整个生物的遗传路线图

无论是蠕虫,人类还是蓝色鲸鱼,所有多细胞生命都会成为一个单细胞蛋。

从这个单独的细胞开始,其他的细胞组成一个有机体所需要的星系,每个新细胞在正确的时间正确的地点发育,与它的邻居协调,执行精确的功能。

这是自然界中最非凡的壮举之一,尽管经过了几十年的研究,生物学家仍未能完全理解这一过程。

现在,在今天在线发布的三个地标研究,哈佛医学院和哈佛大学研究人员如何报告如何在开发斑马鱼和青蛙胚胎中系统地分析各种细胞,以建立一种揭示一个细胞如何构建整个生物的路线图。

科学家揭示了构建完整生物体的基因路线图

卵爪蟾鸡蛋分裂。礼貌Amaya

利用单细胞测序技术,研究小组追踪了胚胎生命最初24小时内单个细胞的命运。他们的分析揭示了全面的图景:当胚胎细胞转变为新的细胞状态和类型时,哪些基因被打开或关闭,以及何时被打开。

总的来说,这些发现代表了在两个重要的模型物种中产生不同类型细胞的遗传“配方”的目录,并为发育生物学和疾病研究提供了前所未有的资源。yabo124

“通过单细胞测序,我们可以在一天的工作中,回顾几十年来对细胞在生命的最初阶段所做决定的艰苦研究,”Allon Klein说,他是HMS系统生物学助理教授,也是三项科学研究中的两项的共同通讯作者。yabo124

研究人员说,从生物医学的角度来看,这些生物如何发展的基线资源与拥有它们的基因组的基线资源同样重要。

克莱因说:“通过我们开发的方法,我们正在描绘出我们对发育生物学未来的看法,因为它将转变为一门定量的、大数据驱动的科学。”yabo124

除了生命的早期阶段有了进一步的了解,打开大门的工作有了新的认识的疾病,亚历山大Schier说狮子座埃里克森生命科学的分子和细胞生物学教授哈佛,和第三个研究的通讯作者。yabo124

“我们预见到任何复杂的生物学过程,其中可以使用这种方法重建细胞随时间改变基因表达的复杂生物学过程,”Schier说。“不仅仅是胚胎的发展,还不仅发展癌症或脑退化。”

一次一个

发育中的胚胎中的每个细胞都携带着生物体完整基因组的副本。就像建筑工人在为建筑奠基时只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,以便胚胎正确发育。

在他们的学习中,Klein与共同作者合作,HMS John Franklin Enders大学系统生物学教授,Sean Megason,HMS副教授,系统生物学副教授,以及分析Zebrafish和Western Claw-Toed Frog(Xenopus)的yabo124同事Tropicalis)胚胎,两种生物学中最受欢迎的模型物种。yabo124

研究人员利用InDrops的力量,一种由Klein、Kirschner及其同事在HMS开发的单细胞测序技术,从胚胎的每个细胞一次捕获一个基因表达数据。研究小组在超过24小时的多个时间点对两个物种的20多万个细胞进行了分析。

为了描绘胚胎发育过程中基本上每个细胞的谱系,以及标记新的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,包括引入人工细胞脱氧核糖核酸用于跟踪单元格之间的谱系关系的条形码,称为TracerSeq。

Megason说:“要了解一个有机体是如何形成的,不仅需要知道基因组的静态序列,还需要知道当细胞决定命运时,哪些基因被打开或关闭。”“这是第一种技术方法,使我们能够系统地、定量地解决这个问题。”

在研究Schier的研究中,研究团队使用了Drop-SEQ - 由HMS和广泛研究所开发的单细胞排序技术麻省理工学院和哈佛 - 在高时的分辨率下在12小时内研究斑马鱼胚胎。与广泛的核心成员一起使用Aviv Regev,团队通过他们命名为URD的计算方法来重建细胞轨迹,在挪威神话人物决定所有命运之后。

Schier和他的同事对38000多个细胞进行了分析,并建立了一个细胞“家谱”,揭示了25种细胞类型的基因表达是如何在它们特化时发生变化的。通过将这些数据与空间推断相结合,研究小组还能够重建早期斑马鱼胚胎中各种细胞类型的空间起源。

成功的秘诀

在这两种物种中,团队的调查结果镜像以前涉及胚胎发展进展的大部分内容,这是强调新方法的力量。但是,在综合细节中揭示分析在综合细节中揭示了从早期祖先或“通用”状态的细胞的级联事件,以更狭义的函数的专业国家。

该团队旨在难以检测难以检测的细节,例如稀有细胞类型和亚型,并将新的和高度特异性的基因表达模式联系在不同的细胞谱系中。在几种情况下,他们发现比以前被思考的最早的细胞类型。

对于努力回答有关人类疾病问题的科学家来说,这些数据可能有力地照明。例如,在再生医学中,研究人员已经有几十年来,以便将干细胞操纵干细胞与具有功能性的缺陷细胞,组织或器官的目标进行操纵。关于沉淀特定细胞类型的出现的基因表达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,如果有人想要制造一种特定类型的细胞,他们现在就有了这些细胞在胚胎中形成时的步骤配方,”克莱因说。“在某种意义上,我们为复杂的分化过程如何在胚胎中实际进展建立了一个黄金标准参考,并为如何系统地重建这些类型的过程树立了一个榜样。”

Klein说,当与生物学研究的核心概念之一——打破一个系统来研究发生了什么——结合起来时,单细胞测序可以产生以前难以获得的见解。

作为原理证明,Klein、Megason和他的同事们使用CRISPR/Cas9基因编辑系统创造了具有chordin突变形式的斑马鱼,chordin基因参与决定发育中的胚胎的前后朝向。Schier和他的同事们采用了类似的方法,对斑马鱼的另一种被称为独眼针头的基因突变进行了分析。

当用单细胞测序分析时,该团队证实了Chordin和单眼的针头突变体的先前已知的描述,并且可以详细描述或甚至预测这些突变对整个胚胎的细胞和新生组织的影响。

出乎意料的是,这两个小组独立地发现,在单细胞水平上,基因表达在突变体和野生型中是相同的,尽管丢失了一个必要的信号通路。然而,不同细胞类型的比例发生了变化。

“这项工作只能通过最近的技术变得可能,让我们分析成千上万个单独的细胞中的基因表达,”Schier说。“现在规模要大得多,因此我们可以在胚胎发生期间重建几乎所有细胞和所有基因的轨迹。几乎就像看到一些星星看到整个宇宙。“

科学家揭示了构建完整生物体的基因路线图

胚胎发育的新视角,显示出通过相关性随时间组织的50,000多种细胞。蓝色中心是生活的开始。向外辐射,专门的细胞类型出现。图片:Wagner等

重新思考定义

研究团队还证明了如何开采这些数据来应对生物学中的长期基本问题。yabo124

当Klein, Kirschner, Megason和同事们比较斑马鱼和青蛙胚胎的细胞状态时,他们观察到大部分相似之处。但他们的分析也揭示了许多令人惊讶的事情。其中一项观察发现,标记一种物种细胞状态的基因,在标记同一种细胞状态的另一种物种中,往往表现不佳。

在几个实例中,他们发现一个基因的DNA序列——以及它编码的蛋白质的结构——可能在不同物种之间几乎相同,但有非常不同的表达模式。

“这真的很震惊我们,因为它违背了我们对发展和生物学的所有直觉,”克林说。yabo124“这是一个非常不舒服的观察。它直接挑战我们对某种“细胞类型”意味着什么。“

在研究人员假设之前没有发现这些差异的原因是,计算分析以从根本上与人类所做的方式的方式“注意”数据。

“我认为这反映了一些确认偏见程度。当科学家在物种之间找到了保守的东西时,他们将其作为一个标记庆祝,“梅杰森说。“但通常情况下,所有其他非管理功能都被忽略了。定量数据有助于我们移动过去的一些偏差。“

在另一个惊人的发现中,研究小组观察到细胞分化为不同类型的过程——通常认为发生在一个树状结构中,不同类型的细胞从一个共同的祖先细胞分支出来——可以形成“循环”和分支。

例如,神经嵴 - 一组细胞,其产生不同的组织类型,包括平滑肌,某些神经元和颅面骨 - 最初从神经和皮肤前体渗出,但是众所周知的产生几乎与之相同的细胞骨和软骨前体。

新结果表明,在其他情况下可能会出现类似的环路。Klein说,相同状态的细胞可以具有非常不同的发育历史表明,我们作为“树”的发展的分层观点太简化了。

这三个团队还确定了存在于一种中间“决策”状态的特定细胞群体。Schier和他的同事们发现,在某些关键的发育分支点上,细胞似乎沿着一条发育轨迹前进,但随后又改变了它们的命运。

Klein,Megason,Kirschner和同事们提出了相关观察,即早期发展,一些细胞激活了两个不同的发展方案。虽然这些中间细胞最终会采用单一的身份,但这些发现添加到Cells如何发展其命运和提示,即可能存在涉及引导这一点的基因的因素。

“通过多线粒细胞,我们必须开始想知道他们的最终命运是否由某种选择性力量或与环境互动决定,而不是仅仅是遗传计划,”Kirschner说。

未来的基础

作者表示,新生成的数据集以及这些研究中开发的新工具和技术,为未来广泛的勘探奠定了基础。

发育生物学家可以收集更多和更高质量的关于许多物种的数据,进一步跟踪胚胎,并进行任意数量的扰动实验,所有这些都有助于提高对生物学和疾病的基本规则的理解。yabo124

作者指出,这些资源也可以作为协作和互动的协调点,因为大多数实验室没有利用所有数据和所生成的所有数据和信息所需的专业知识。

“我认为,这些研究正在创造一种真正的群体意识,研究人员提出问题,并以一种让人回想起胚胎学早期研究的方式相互交流,”科施纳说。

这三项研究,Schier说,是一个例子,说明了科学界如何在补充问题上工作,以回答生物学中的重要问题。yabo124

他说:“在过去的两年里,我们的研究小组没有相互竞争,而是保持着定期联系,协调发表我们的研究成果。”“这三篇论文的互补性非常好——每一篇都强调了产生、分析和解释这些复杂数据集的不同方式。”

下次概念飞跃,团队建议,将更好地了解牢房如何做出决定。

“现在,我们有一个路线图,但它并没有告诉我们标志是什么,”梅森说。“我们需要做的就是找出直接电池的信号,以及内部机制允许细胞制定这些决定的信号。”

无论未来持有什么,这些数据集将留下它们的标记。

“在生物体上工作的美妙之处在于,就是这样,”克莱因说。“10年、20年后,我们仍然可以确定斑马鱼和青蛙将按照同样的模式发展。”

所有三个研究团队都使其数据集和工具作为交互式,可浏览在线资源提供。适用于Klein及其同事:斑马鱼和Xenopus。适用于Schier和同事:斑马鱼和URD。

出版物:

  • Daniel E.Wagner等,“基因表达景观的单细胞映射,Zebrafish Embryo的血统,”Science 2018年4月26日:eAR4362;DOI:10.1126 / science.aar4362
  • Jeffrey A.Farrell等,“斑马鱼胚胎发生过程中发育轨迹的单细胞重建”,Science 2018年4月26日:eaar3131;DOI: 10.1126 / science.aar3131
  • 詹姆斯A. Briggs等人,“脊椎动物胚胎发生在单细胞分辨率下基因表达的动态,”2018年4月26日:eaar5780;DOI: 10.1126 / science.aar5780

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