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哈佛大学新技术发现,细胞分化具「命运分歧点」


2020-06-25


哈佛大学新技术发现,细胞分化具「命运分歧点」

科学家藉由标定基因来了解动物如何从单细胞卵诞生,哈佛大学研究人员现在利用基因定序技术,针对单一卵细胞发育过程分析其诞生后 24 小时内如何分化并形成胚胎。

卵细胞从複杂胚胎发育分化成一群细胞、到最后成为斑马鱼,团队研究结果显示了参与胚胎发育的基因如何调控,让个体从一个简单细胞发育出複杂精细的器官组织。

无论是昆虫、人类或蓝鲸,都是从单一卵细胞形成。随着卵细胞经过极其複杂的发育,大量不同基因精準调控表现,才能够让经过分裂与分化的各细胞彼此协调合作,使各种生理功能得以运作。

个体发育过程一直是自然界一大奥祕,但儘管经过数十年研究知识累积,科学家仍无法一窥发育过程全貌;然而,近日发表于科学《Science》期刊的一篇研究,昭示了发育生物学一大进展。哈佛医学院及哈佛大学的研究人员系统性分析了斑马鱼和热带爪蟾(Xenopus tropicalis)胚胎每个细胞的发育过程,建构出单一卵细胞如何蜕变成完整生物体。

斑马鱼卵细胞仅在几小时内就形成複合胚胎。

团队运用单细胞基因定序(single-cell sequencing)技术追蹤胚胎开始发育前 24 小时每个细胞的分裂情形,分析结果掌握了各基因的开启与关闭、细胞分化进入下一阶段的时间点。

研究共同作者 Sean Megason 教授表示,科学家想了解细胞分化时基因如何调控以决定每个细胞的命运,就需要了解整个生物个体是如何形成,而不能只靠基因序列分析统计结果。新研究结果就是科学家首次以系统性与数量化技术来剖析这个複杂问题。

总结来说,这项研究呈现了两个物种的胚胎在发育时,使用让细胞分化成具不同功能的基因调控「配方」。

哈佛医学院系统生物学助理教授 Allon Klein 表示,有了单细胞基因定序技术之后,研究人员能在一天内完成先前可能需要几十年才能完成的繁重工作,而研究使用的系统技术在未来或许能改变发育生物学领域的研究方向,使其转向量化的大数据导向科学。

此外,研究共同作者哈佛大学分子与细胞生物学教授 Alexander Schier 也表示,这些研究成果也能够让我们对于某些疾病的发生成因更了解,科学家目前虽然只用这项技术分析了胚胎发育时的细胞基因表现转变,但同样技术也可以用于研究癌细胞生成分裂或脑部退化的进程。

Alexander Schier 形容,这项研究就像让科学家从原本只能看见夜空的几颗星星变成看见整个宇宙。

当受精卵开始分裂至成长为成熟个体,生物个体内每个细胞都带有一模一样的完整基因体,但随着胚胎发育进展,原本相同的细胞会分化并开始表现出不同功能。也就是说,虽然每个细胞内的 DNA 都完整相同,但每个细胞只会表现自身所需要的必要基因,以使胚胎正常发育。

Klein 与哈佛医学院系统生物学教授 Marc Kirschner、副教授 Sean Megason 合作,藉由团队开发的单细胞基因定序仪 InDrops,一个个蒐集胚胎中每个细胞的基因表达资讯,最后,研究团队得到两种生物胚胎在 24 小时内共 20 万个细胞,在不同时间点下的基因表现状况。

哈佛大学新技术发现,细胞分化具「命运分歧点」

单细胞基因定序使研究人员能在数千个细胞中研究基因表达。

研究团队还引进另一种称为 TracerSeq 的研究计算技术,将人造 DNA「条码」送入细胞,藉此追蹤细胞之间的亲缘关係。

Megason 表示,想了解一个生物的构成,就需要知道细胞分化时哪些基因被开启或关闭,进而导致细胞有自己的命运与角色,只了解静态基因组序列是不够的。研究团队分析超过 38,000 个细胞,建构出细胞的「族谱」,剖析在 25 种细胞分化过程中基因的表现趋势,再结合胚胎中细胞空间分布资讯,就能够重建出胚胎中各种细胞起源位置。

新技术发现的胚胎发育资讯,与我们先前所知的胚胎发育进程能互相对应,但这幺说其实低估了新技术的威力,因为发育细节资讯的分析达到前所未有的全面,细胞内事件发生的时间先后也非常具体,显现了细胞从最开始一模一样的阶段,到分化后精细分工功能阶段的所有细节。

研究团队也以极精确的基因表现趋势釐清细胞分裂演变关係,透过这种先前难以侦测的细节找到一些较稀少的细胞类型及分支,不只将分类做得更细,也发现过去我们不知道的细胞型态。

此项技术也能够用于研究当基因表现异常时,会对胚胎发育造成什幺影响。研究团队以 CRISPR / Cas9 技术促使斑马鱼几个基因发生突变,让该基因原本参与决定胚胎发育的前后方位步骤受到影响,再检测带有突变的胚胎细胞基因表现趋势。分析结果后,研究团队就能够确认先前我们对该基因的认识是否正确,也能够描绘、甚至预测发育中的细胞及整个胚胎组织整体可能受到的影响。

斑马鱼胚胎发育过程。

值得注意的是,研究团队也发现,不同物种间虽然胚胎发育表现的基因 DNA 序列及蛋白质产物结构几乎一模一样,但表现趋势却有很大不同。Klein 表示,这项发现与目前我们直觉以为的发育生物学理论相悖,挑战了我们对于「细胞型态」的认定。

由于先前从来没有人系统性分析细胞内的基因表现,研究团队也发现过去研究逻辑的偏差,过去科学家常以不同物种的相同部分为参考基準,但却忽略了它们仍会有不同表现特性。现在有了这些研究数据,就能重新检视并校正过去研究的偏差。

这项研究结果还提出另一个意料之外的重要发现,事实上,细胞分化过程可能不只像树状图,只是单纯一层一层往下分支而已,而是能形成循环。比如神经脊细胞(neural crest)最早由神经及皮肤先驱细胞发展而来,但神经脊细胞能分化成平滑肌细胞、特定神经细胞或颅颜颚骨等,几乎和骨骼及软骨细胞前驱物非常相似的细胞。

这项发现也表示同样状态的两个细胞可能经由不同路线分化而来,树状图「族谱」显然不足以描绘细胞分化的上下游关係。

研究团队还发现细胞分化过程中有特定的「命运分歧点」,能改变细胞的分化路径,有些细胞还拥有同时活化两种不同发育路线计画的基因,处在过渡期的细胞最终会选择其中一条路,分化为该类细胞。

这项发现也显示决定细胞最终命运的影响因素除了被开启的基因,还有我们尚未了解的部分。研究团队希望了解那些同时开启多个分化线路的细胞,最终透过什幺方式决定细胞分化走向,除了基因表现方式,是否还有些决定性因子或环境互动参与其中,才导致分化路线不同。

这项对细胞分化的研究,让科学家像一名已握有地图的旅行者,只是地图上还没有任何标记,科学家现在要做的就是找到让细胞决定去向的因子,了解过程机制。

研究结果将推进未来疾病相关研究,如再生医学领域数十年来一直希望透过调控干细胞分化的路线,来修复或取代受损的细胞组织或器官。Klein 说,这些资讯就像食谱配方,如果研究者希望产生特定细胞功能,只要以该细胞在胚胎中每个时期的表现为参考,系统性重新建构基因表现过程即可。



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