在我們出生之前的成長初期，相對較短的時間里我們和其他哺乳動物從一些單薄的細(xì)胞層創(chuàng)造出數(shù)十種不同的器官。這個過程，在小鼠身上只需短短四天，對人類來說，在懷孕前三個月就已經(jīng)完成了。

現(xiàn)在，華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院艾倫發(fā)現(xiàn)中心的研究人員進行了一項新研究，一個細(xì)胞一個細(xì)胞地追蹤小鼠器官形成的重要時期。今天這項研究發(fā)表在Nature雜志，是迄今為止同類研究中最大的數(shù)據(jù)集。

這項研究捕捉到了200萬個不同細(xì)胞的開關(guān)基因，細(xì)胞從未分化的細(xì)胞前體轉(zhuǎn)變?yōu)閯游锏奈浮⒓∪?、大腦、皮膚以及其他之間的一切。

“了解我們?nèi)绾螐囊粋€細(xì)胞長成數(shù)千種不同類型的細(xì)胞，所有這些細(xì)胞都相互連接并共同作用，形成我們的成人身體，這不僅對了解人類生物學(xué)，而且對了解大部分生命本身都是至關(guān)重要的，”艾倫發(fā)現(xiàn)中心的資深作者Jay Shendure博士說。

“地球上每種多細(xì)胞生物，包括我們?nèi)祟?，都來自一個細(xì)胞，細(xì)胞譜系引導(dǎo)我們成為功能有機體，”Shendure說。

發(fā)育也是許多人類疾病的基礎(chǔ)，包括那些在生命后期才顯現(xiàn)出來的疾病。

“無數(shù)成年期常見疾病都能在發(fā)育過程中找到根源，但我們還不太了解這些問題，”Shendure說。

這項研究依賴于華盛頓大學(xué)的研究生Junyue Cao開發(fā)的一項新技術(shù)，該技術(shù)通過動物身體各個部位和不同發(fā)育階段的單獨細(xì)胞來測量基因是如何打開和關(guān)閉的（也稱為基因表達）。研究人員利用一組獨特的三分子條形碼對每個細(xì)胞的基因輸出進行標(biāo)記，這些條形碼與細(xì)胞的其余基因表達數(shù)據(jù)同步讀取（sci-RNA-seq3）。

與Cao一起工作的還有博后研究員Malte Spielmann，他們是本文的共同一作，利用這種方法研究了61只實驗室小鼠的胚胎在4天內(nèi)的不同發(fā)育時期的單細(xì)胞基因表達。

雖然他們的分析并沒有覆蓋胚胎中的每一個細(xì)胞，但研究學(xué)者估計，他們已經(jīng)非常完美的接近部分真實的發(fā)育階段了——他們研究了早期胚胎發(fā)育中80%的細(xì)胞，以及稍后胚胎的20%細(xì)胞。

研究發(fā)育生物學(xué)的經(jīng)典方法通常是突變一個或幾個基因，并觀察由此產(chǎn)生的發(fā)育結(jié)構(gòu)變化?！斑@種方法只能讓你大概知道發(fā)育的潛在遺傳結(jié)構(gòu)，”艾倫發(fā)現(xiàn)中心成員、華盛頓大學(xué)基因組科學(xué)副教授Cole Trapnell博士說。“如果你能觀察到整個過程以難以置信的高分辨率展開，然后應(yīng)用復(fù)雜的計算機算法來組織數(shù)據(jù)，那么你就可以繪制出控制發(fā)育的更大的基因程序?！?/span>

這項研究距離這個目標(biāo)還差一點點，因為研究人員目前無法追蹤同一只動物的細(xì)胞，這種譜系追蹤將是他們的長期目標(biāo)之一。但文章作者表示，在這條路上，我們又看到了許多有價值的信息。

他們深入地研究了幾個關(guān)鍵的發(fā)育類型，四肢和骨骼肌的形成，人和小鼠的發(fā)育軌跡非常類似。研究人員發(fā)現(xiàn)，在驅(qū)動腿部發(fā)育的特定細(xì)胞中，有數(shù)百個基因在短時間內(nèi)開開關(guān)關(guān)，這些基因以前從未報道過與這些細(xì)胞有關(guān)。目前，他們還不知道這些基因在做什么，這個數(shù)據(jù)集還有太多問題有待探索。