科学家在细胞层面深度跟踪人类发育
时间:2017-12-07

  科学家追踪细胞层面的人类发展 - News - Science Net

  这项新技术将允许生物学家就个体之间,器官之间以及年龄的变化提出问题。

  在二十世纪八十年代初,约翰·萨尔斯顿连续花了18个月的时间观察蠕虫的增长情况。他用光学显微镜观察秀丽隐杆线虫的胚胎,每隔5分钟勾画一次观察,例如一个受精卵分化成两个细胞,然后变成四个,八个等等。他在英国剑桥医学研究委员会的分子生物学实验室的一间小屋里安静地静静地工作,试图用显微镜解锁生物立方体。我发现自己真的久坐了。这位退休的诺贝尔奖获得者曾经回忆说。

  他的数百幅图揭示了早期蠕虫发育的紧密编排,其中包括671细胞的精确诞生和111(或113,取决于蠕虫的性别)细胞的死亡。每个细胞都可以通过一系列不变的步骤追溯到它的直系祖先,然后回到前一代的祖先。通过这些图纸和其他来源,Saliston与合作者合作绘制出第一个也是唯一一个独特而完整的多细胞细胞谱系树。

  生物学家在单细胞水平编辑基因组的革命以及相关的测序技术,现在已经导致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,而且吸引了遗传学家和技术开发者。他们相信这是生物学的下一个重大进展之一,可以理解一个细胞的历史来自哪里,甚至是发生了什么。目前的发现为人类如何发展提供了有吸引力的线索。

  重建历史

  细胞的历史记录被写入其基因组中:记录每个获得的传递给其子细胞的突变。 2005年,以色列魏兹曼科学研究所的计算科学家埃胡德·夏皮罗(Ehud Shapiro)计算出,研究人员可以利用每个人类细胞的自然变异来拼凑他们如何连接在一起。

  他设想了线虫细胞图的不可避免的发展,并称之为人类细胞世袭计划。但他说这个地区还没有准备好。当我们提出这个想法时,这个研究领域的名称和单细胞基因组都不存在。

  经过10年的快速发展,研究人员开发了一套强大的工具来探索单细胞生物学,从RNA分子和蛋白质到个体和特定的基因组。现在,夏皮罗设想了一个人逐渐从受精卵成长为成年人的过程。

  我们希望从头到尾都能得到所有的3D图像。他说。制作这样的图像不需要看整个基因组。夏皮罗研究小组正在关注称为微卫星的DNA全基因组复制。这些序列比其他基​​因组片段更频繁地变异,并且该团队正在对数百人的细胞基因组中的数千个相似的延伸序列进行测序,以查看它们如何结合。

  在2015年的一个报告实验中,波士顿儿童和哈佛医学院发育生物学家的Christopher Walsh团队测量了三名健康死者的36个皮层神经元的完整基因组(捐献他们的大脑进行科学研究)。重建一个人类脑细胞提示紧密相关的细胞分布于大脑皮层,而局部脑区可能含有许多不同的细胞谱系,并且世代相传似乎远离其祖先的家,例如,一个皮层神经元与其更密切相关到相同的人类心脏细胞比其他3/4周围的神经元,我们并没有期待这种情况,沃尔什说。

  在今年发表的一项研究中,英国威康信托(Wellcome Trust)Wellcome Trust的遗传学家迈克尔·斯特拉顿(Michael Stratton)和研究小组对241个白细胞从发现乳腺癌的妇女中寻找其血细胞突变的一个子集,这项研究表明,突变已经存在于发育的最早阶段,或者可以追溯到两细胞胚胎期。

  从小点到条形码

  西雅图华盛顿大学的遗传学家Jay Shendure和研究生Aaron McKenna和Greg Findlay认识到,流行的基因编辑工具CRISPR-Cas9是将可追踪的突变导入基因组任何部分的理想选择。与哈佛发展生物学家亚历山大·希尔(Alexander Schier)领导的实验室合作,他们在两个单细胞斑马鱼胚胎中使用CRISPR-Cas9,然后使用它们来编辑已经设计到斑马鱼基因组中的DNA条形码序列。随后,他们在成年斑马鱼细胞中测量这些条形码,并使用它们的体内变异来拼接它们的谱系。

  他们产生的谱系树显示,在少量生命开始时形成的胚胎谱系在给定器官中产生绝大多数细胞。例如,超过98%的红细胞来自1000多个细胞系中的5个,尽管这五个细胞系也对其他组织有贡献,但是参与这些效应的百分比非常低这完全超出了我的预期,Shendure说,他仍然在试图分析这些数据。

  德国柏林Marksbrück分子医学中心的定量发育生物学家Jan Philipp Junker等人开发了一系列其他以CRISPR为基础的技术,将发展的历史联系在一起。他和荷兰Utrecht大学的系统生物学家Alexander van Oudenaarden使用这种方法追踪受损斑马鱼鳍的再生。他们发现,再生与发育的方式相同:当干细胞被重建时,会产生较少的产生原始鳍的细胞谱系丢失。这一发现证实了以前的研究,并且基于CRISPR的方法允许该团队在一个实验中追踪数千个细胞系。

  研究人员不仅试图了解一个有机体的细胞是如何相互连接的,而且也是在这个过程中发生的事情。麻省理工学院的合成生物科学家蒂姆·卢(Tim Lu)说,这样的记录可以让科学家以比现在的细胞重编辑技术更精确的方式修复细胞生长。将来,您可能会看到一些植入细胞疗法的记录器版本。但他说,这不是一个快速的过程,现在我不会把我的CRISPR记录器植入患者体内。

  血统的生活

  癌症是新的谱系追踪方法可能是第一个引起轰动的领域。癌症是一种疾病谱系,一种干细胞疾病。沃尔什说。研究人员已经开始解决的一个问题是转移细胞的起源,其起源于原始肿瘤,并且在某些情况下侵入一些远端器官。它们通常是最难击败肿瘤细胞的,也是最可能致死的患者细胞。

  但是,这个领域的前景远远超出了现实。索尔兹伯里水平的秀丽隐杆线虫的系统发生线仍然远远超出了目前的研究工作,加利福尼亚斯坦福大学的生物工程师斯蒂芬·奎克(Stephen Quake)设计了一种通过CRISPR追踪细胞谱系的方法,并决定在蠕虫中进行验证。金标准是非常好的Quake说,他和他的团队用CRISPR技术在发育期间突变基因组后测量了成年动物的细胞,完成这项工作花费的时间远远少于一年半但是Quake说他们产生的图像是不完整的,实际上它在蛔虫发育过程中捕捉到了一个关键的转变(分离到肠道细胞和形成身体其他部分的细胞),但是它缺少细节Salist眼睛注意到。

  在鱼类,老鼠和人类中,没有两个细胞谱系树看起来完全一样,并且每个细胞谱系树在组织被修复和再生时改变个体的生命。容克和其他人希望,这项新技术将允许生物学家提出有关个体之间,器官之间以及随着年龄的变化而提出的问题。正如席尔所说:我们不知道有多少种方式来创造一颗心。

  这是巨大的未知,使这种类型的工作变革。帕萨迪纳加利福尼亚大学的遗传学家迈克尔·伊洛维茨(Michael Elowitz)说,它会改变你所问的问题。希尔说,萨利斯顿的绘画将生物学家带到了一个未知的领域,这也是一样,我们不能确切地说我们现在能找到什么,但是我们可能会在那里找到一个新的大陆(金楠编译)

  “中国科学”(2017-08-08第3版国际)

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  自然报告(英文)