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。

从这种孤独的细胞出现了所需的其他人所需的银河系，需要在合适的时间在正确的位置开发在正确的位置，以与其邻居协调进行精确的功能。

这一壮举是自然界中最显着的，尽管研究了数十年的研究，但对该过程的完全理解已经存在生物学家。

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。

一宫蛋饼。礼貌Amaya

使用单细胞测序技术，研究小组在胚胎的前24小时内跟踪了近24小时的inpidual细胞的命运。他们的分析显示了基因接通或断开的综合景观，以及当胚胎细胞转变为新的细胞状态和类型。

结果，该研究结果代表了遗传“食谱”目录，用于在两个重要的模型物种中产生不同细胞类型，并为发展生物学和疾病提供前所未有的资源。

“随着单细胞测序，我们可以在一天的工作中，重新承认几十年来对决策细胞的艰苦研究，以便在生命的最早阶段，HMS助理教授的两个三科学研究。

研究人员表示，生物学上，这些基线资源如何发展如何与其基因组的基准资源一样重要。

“随着我们开发的方法，我们认为我们认为发展生物学的未来将成为它转化为定量，大数据驱动的科学，”Klein说。

除了在生命的早期阶段的脱落新光之外，亚历山大·斯利米尔（Leo Erikson Lifology）在哈佛大学和细胞生物学教授，该工作可以向一系列疾病开放新的理解，并对相应的第三次研究的作者。

“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

在发育中胚胎中的每种细胞都携带有机体完全基因组的副本。如仅限建筑物的基础时，仅使用蓝图的相关部分的建筑工人，细胞必须在适当的时间表达必要的基因，使胚胎能够正确地发展。

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）的同事Tropicalis）胚胎，两种生物学中最受欢迎的模型物种。

研究人员利用Indrops的力量，通过Klein，Kirschner和同事于HMS开发的单细胞测序技术，以及一次捕获来自胚胎的每个细胞的基因表达数据。距离两种物种24小时超过24小时以多个时间点集中统称超过200,000个细胞。

为了将每个细胞映射到胚胎的基本上，以及标记新的细胞状态和类型的基因表达事件的精确顺序，该团队开发了新的实验和计算技术，包括引入人工DNA条码以跟踪细胞之间的谱系关系，称为TraceSTQ。

“了解有机体如何知道如何在细胞制定命运决策时打开或关闭哪些基因，而不仅仅是基因组的静态序列，”梅杰森说。“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Schier联合主导的研究中，研究团队使用了Drop-SEQ - 由HMS和广泛的麻省理工学院和哈佛大学研究员开发的单细胞排序技术 - 在高时分辨率下在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，在决定所有命运的北方神话P之后。

肖尔和同事突然化了38,000多个细胞，并开​​发了一种细胞“家谱”，揭示了在专业化的25种细胞类型中的基因表达方式。通过将该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。

成功的配方

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。

“通过这些数据集，如果有人想要制作特定的细胞类型，他们现在可以获得这些细胞在胚胎中形成的步骤的方法，”Klein说。“我们在某种意义上已经建立了复杂的分化过程在胚胎中实际进展的复杂程度，并设定了如何系统地重建这些类型的过程的示例。”

当与生物调查中的一个核心概念结合起来时，扰乱系统学习系统的想法 - 单细胞测序可以在克莱因说，难以获得难以达到的洞察力。

作为原则，Klein，兆子和同事的证据，使用CRISPR / CAS9基因编辑系统以突变形式的Chordin创建斑马鱼，该基因参与确定显影胚胎的背面前面取向。Schier和同事通过在被称为单眼的针头的不同图案化基因中的突变突出斑马鱼。

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。

出乎意料地，独立地发现，在单细胞水平下，突变体表达在突变体和野生型中相同，尽管丧失了必要的信号通路。然而，不同细胞类型的比例改变了。

“这项工作只能通过最近的技术变得可能，让我们分析数千次辛苦细胞中的基因表达，”“苏尔说。“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。“

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。图像：Wagner等人

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。

当Klein，Kirschner，Megason和同事比较了斑马鱼和青蛙胚胎之间的细胞状态景观时，他们大多观察到相同的价格。但他们的分析也揭示了许多惊喜。一种这样的观察结果是，在一个物种中标记细胞态的基因通常在其他物种中具有相同细胞状态的标记差。

在几种情况下，他们发现基因的DNA序列 - 以及它编码的蛋白质的结构 - 在物种之间几乎相同，但具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。“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。“

在另一个引人注目的发现中，该团队观察到细胞分化进入不同类型的过程 - 通常认为发生在类似的树形结构中，其中不同的细胞类型从共同的祖先细胞中分支 - 可以形成“环”以及“环”以及“环”形成“环”分支机构。

例如，神经嵴 - 一组细胞，导致佩服组织类型，包括平滑肌，某些神经元和颅面骨 - 最初从神经和皮肤前体中出现，但是众所周知的生成几乎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。

所有三支球队还确定了某种中级“决策”状态存在的某些细胞群体。Schier和同事发现，在某些关键发育分支点处，细胞似乎走下了一个发展轨迹，但随后将命运改为另一个。

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

根据作者，新生成的数据集和作为这些研究的一部分开发的新工具和技术为广泛的未来勘探奠定了基础。

发育生物学家可以在许多物种上收集更多和更高质量的数据，在时间上进一步遵循胚胎，并执行任何数量的扰动实验，所有这些都可以帮助改进对生物学和疾病的基本规则的理解。

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个真正的社区意识，研究人员以霍尔斯在胚胎学研究中恢复到早期的方式，互相互相互动，”Kirschner说。

Schier表示，这三项研究是科学界如何努力回答生物学中重要问题的互补问题的一个例子。

“而不是竞争，我们的团体在过去两年中经常联系，并协调了我们研究的出版物，”他说。“这是多么互补三篇论文 - 每次突出显示这种复杂数据集可以生成，分析和解释。”

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。“我们需要做的是PUT到直接电池沿着某些道路的信号，以及内部机制允许细胞做出这些决定的信号。”

无论未来持有什么，这些数据集将留下它们的标记。

“在有机体上工作的美丽是这就是它，”克莱因说。“从现在开始，20年，我们仍然可以确定斑马鱼和青蛙将根据同样的模式开发。”

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。

刊物：

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.AAR4362Jeffrey 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.aar3131James A. Briggs等人，“单细胞分辨率下脊椎动物胚胎发生中基因表达的动态”2018年4月26日：eaar5780; DOI：10.1126 / science.aar5780