（原標題：為細胞“立傳” 新技術追蹤單個細胞如何産生完整身體）

生物學最大的謎題之一是單個受精卵如何産生眾多組閤在一起形成身體的細胞類型、組織和器官。如今，由單細胞測序技術和計算工具構成的組閤體正在為這一過程提供迄今最詳細的畫麵。在3篇日前在綫發錶於《科學》雜誌的論文中，研究人員報告稱拍下瞭正在發育的斑馬魚或青蛙胚胎中大多數細胞基因活性的多個快照。隨後，他們將這些每隔幾分鍾到幾個小時被采集到的數據，集閤成關於這些胚胎如何形成的連貫曆史。

“我的第一反應是：‘哇！’”德國柏林醫學係統生物學研究所發育生物學傢Robert Zinzen錶示。不久前，另外兩篇在綫發錶於《科學》雜誌的論文追蹤瞭一種簡單扁蟲——渦蟲在被切成小塊後再生過程中的細胞基因活性。不過，Zinzen 介紹說，對於脊椎動物來說，“復雜性要高很多”。

然而，研究人員成功追蹤瞭上韆個細胞及其後代慢慢浮現齣來的身份。“我認為，發育生物學的未來將是對胚胎進行常規的單細胞測序。”位於海德堡的歐洲分子生物學實驗室進化發育生物學傢Detlev Arendt錶示。

所有這些研究均從將不同階段的胚胎放在特定溶液中慢慢溶解開始，然後晃動或者攪拌它們，直到自由的單個細胞齣現。對於每個細胞來說，研究人員隨後會確定所有信使RNA（mRNA）鏈的序列。mRNA反映的是被轉錄的基因。

在美國哈佛大學，由Allon Klein、Marc Kirschner和Sean Megason領導的團隊聚焦的是兩種被發育生物學傢研究瞭數十年的脊椎動物——斑馬魚和青蛙。在一項研究中，Klein和Megason分析瞭約9.2萬個斑馬魚細胞，並且收集瞭來自7種不同胚胎階段的mRNA數據。該團隊從剛形成4個小時的胚胎入手，並且在胚胎受精後的24個小時結束測序。此時，最基本的器官已經開始齣現。每個細胞的基因活性模式揭示瞭其發育路徑以及最終的身份。

為追蹤細胞及其後代如何隨著時間流逝發生改變，研究人員在一些單細胞斑馬魚胚胎上安裝瞭基因示蹤劑：被注射進胚胎細胞質的很多獨特的微小DNA片段。隨著細胞在不斷成長的胚胎中一再分裂，這些“條形碼”找到瞭進入細胞核的路徑並且被納入到細胞質中。等到試驗結束，每個細胞譜係最終擁有瞭獨特的“條形碼”組閤。通過將這一信息和基因活性進行融閤，研究團隊能實時追蹤細胞命運，以便確定受精卵如何産生各種分化細胞，比如心髒、神經和皮膚。

在另一項獨立的研究中，由哈佛大學發育生物學傢Alexander Schier領導的團隊創建瞭自己的計算方法，用於追蹤正在發育成熟的斑馬魚的細胞。該團隊在早期胚胎生長的9個小時裏每隔45分鍾進行細胞取樣並對這些細胞的mRNA進行測序後，軟件通過獲取完全分化細胞的基因活性並且分析哪些細胞擁有最相似的基因活性，重構瞭每個細胞的“傳記”。該係統可嚮後推導每個胚胎階段，直到最開始的未分化細胞。

Schier錶示，重構結果錶明，初始的單細胞胚胎産生瞭25種主要的細胞類型。

此項分析引發瞭一些震驚。發育生物學傢曾認為，一旦細胞朝著變成諸如肌肉細胞的路徑前進，便不會再發生偏離。然而，Schier和同事報告稱，基因活性的變化顯示，一些斑馬魚細胞在中途轉嚮並形成不同的類型。“整個畫麵比我們想象的復雜很多。”Megason錶示。

對於熱帶爪蟾（青蛙的一種）來說，Kirschner和Klein在胚胎受精後的5~22個小時裏對10個不同階段進行瞭單細胞RNA測序。該團隊最終讀取瞭13.7萬個細胞的mRNA。基因活性數據顯示，即便在青蛙胚胎看上去是未分化的一團時，它們的細胞也開始呈現最終的身份。

當Klein、Kirschner和Megason比較瞭針對青蛙和斑馬魚的研究結果時，他們發現瞭令人震驚的差異。例如，特定細胞類型的發育路徑因物種不同而齣現很大變化。同時，盡管關鍵轉錄因子基因的活性在常見細胞類型中相似，但在一些細胞類型中其他基因的活性遠超之前研究人員認為的兩個物種之間的差異。

此類研究還可能為想製造新細胞類型的乾細胞科學傢和組織工程師提供瞭“菜譜”。華盛頓大學發育生物學傢David Kimelman認為，最新結果“在理解發育生物學領域最基本問題方麵，真的是一大力作和壯舉”。（宗華）