哈佛大學新技術發現,細胞分化具「命運分歧點」

作者 | 發布日期 2018 年 06 月 12 日 14:00 | 分類 生物科技 follow us in feedly

科學家藉由標定基因來了解動物如何從單細胞卵誕生,哈佛大學研究人員現在利用基因定序技術,針對單一卵細胞發育過程分析其誕生後 24 小時內如何分化並形成胚胎。



卵細胞從複雜胚胎發育分化成一群細胞、到最後成為斑馬魚,團隊研究結果顯示了參與胚胎發育的基因如何調控,讓個體從一個簡單細胞發育出複雜精細的器官組織。

無論是昆蟲、人類或藍鯨,都是從單一卵細胞形成。隨著卵細胞經過極其複雜的發育,大量不同基因精準調控表現,才能夠讓經過分裂與分化的各細胞彼此協調合作,使各種生理功能得以運作。

個體發育過程一直是自然界一大奧祕,但儘管經過數十年研究知識累積,科學家仍無法一窺發育過程全貌;然而,近日發表於科學《Science》期刊的一篇研究,昭示了發育生物學一大進展。哈佛醫學院及哈佛大學的研究人員系統性分析了斑馬魚和熱帶爪蟾(Xenopus tropicalis)胚胎每個細胞的發育過程,建構出單一卵細胞如何蛻變成完整生物體。

▲ 斑馬魚卵細胞僅在幾小時內就形成複合胚胎。(Source:Fengzhu Xiong / Sean Megason)

團隊運用單細胞基因定序(single-cell sequencing)技術追蹤胚胎開始發育前 24 小時每個細胞的分裂情形,分析結果掌握了各基因的開啟與關閉、細胞分化進入下一階段的時間點。

研究共同作者 Sean Megason 教授表示,科學家想了解細胞分化時基因如何調控以決定每個細胞的命運,就需要了解整個生物個體是如何形成,而不能只靠基因序列分析統計結果。新研究結果就是科學家首次以系統性與數量化技術來剖析這個複雜問題。

總結來說,這項研究呈現了兩個物種的胚胎在發育時,使用讓細胞分化成具不同功能的基因調控「配方」。

哈佛醫學院系統生物學助理教授 Allon Klein 表示,有了單細胞基因定序技術之後,研究人員能在一天內完成先前可能需要幾十年才能完成的繁重工作,而研究使用的系統技術在未來或許能改變發育生物學領域的研究方向,使其轉向量化的大數據導向科學。

此外,研究共同作者哈佛大學分子與細胞生物學教授 Alexander Schier 也表示,這些研究成果也能夠讓我們對於某些疾病的發生成因更了解,科學家目前雖然只用這項技術分析了胚胎發育時的細胞基因表現轉變,但同樣技術也可以用於研究癌細胞生成分裂或腦部退化的進程。

Alexander Schier 形容,這項研究就像讓科學家從原本只能看見夜空的幾顆星星變成看見整個宇宙。

當受精卵開始分裂至成長為成熟個體,生物個體內每個細胞都帶有一模一樣的完整基因體,但隨著胚胎發育進展,原本相同的細胞會分化並開始表現出不同功能。也就是說,雖然每個細胞內的 DNA 都完整相同,但每個細胞只會表現自身所需要的必要基因,以使胚胎正常發育。

Klein 與哈佛醫學院系統生物學教授 Marc Kirschner、副教授 Sean Megason 合作,藉由團隊開發的單細胞基因定序儀 InDrops,一個個蒐集胚胎中每個細胞的基因表達資訊,最後,研究團隊得到兩種生物胚胎在 24 小時內共 20 萬個細胞,在不同時間點下的基因表現狀況。

▲ 單細胞基因定序使研究人員能在數千個細胞中研究基因表達。(Source:Klein Lab)

研究團隊還引進另一種稱為 TracerSeq 的研究計算技術,將人造 DNA「條碼」送入細胞,藉此追蹤細胞之間的親緣關係。

Megason 表示,想了解一個生物的構成,就需要知道細胞分化時哪些基因被開啟或關閉,進而導致細胞有自己的命運與角色,只了解靜態基因組序列是不夠的。研究團隊分析超過 38,000 個細胞,建構出細胞的「族譜」,剖析在 25 種細胞分化過程中基因的表現趨勢,再結合胚胎中細胞空間分布資訊,就能夠重建出胚胎中各種細胞起源位置。

新技術發現的胚胎發育資訊,與我們先前所知的胚胎發育進程能互相對應,但這麼說其實低估了新技術的威力,因為發育細節資訊的分析達到前所未有的全面,細胞內事件發生的時間先後也非常具體,顯現了細胞從最開始一模一樣的階段,到分化後精細分工功能階段的所有細節。

研究團隊也以極精確的基因表現趨勢釐清細胞分裂演變關係,透過這種先前難以偵測的細節找到一些較稀少的細胞類型及分支,不只將分類做得更細,也發現過去我們不知道的細胞型態。

此項技術也能夠用於研究當基因表現異常時,會對胚胎發育造成什麼影響。研究團隊以 CRISPR / Cas9 技術促使斑馬魚幾個基因發生突變,讓該基因原本參與決定胚胎發育的前後方位步驟受到影響,再檢測帶有突變的胚胎細胞基因表現趨勢。分析結果後,研究團隊就能夠確認先前我們對該基因的認識是否正確,也能夠描繪、甚至預測發育中的細胞及整個胚胎組織整體可能受到的影響。

▲ 斑馬魚胚胎發育過程。(Source:Fengzhu Xiong / Sean Megason)

值得注意的是,研究團隊也發現,不同物種間雖然胚胎發育表現的基因 DNA 序列及蛋白質產物結構幾乎一模一樣,但表現趨勢卻有很大不同。Klein 表示,這項發現與目前我們直覺以為的發育生物學理論相悖,挑戰了我們對於「細胞型態」的認定。

由於先前從來沒有人系統性分析細胞內的基因表現,研究團隊也發現過去研究邏輯的偏差,過去科學家常以不同物種的相同部分為參考基準,但卻忽略了它們仍會有不同表現特性。現在有了這些研究數據,就能重新檢視並校正過去研究的偏差。

這項研究結果還提出另一個意料之外的重要發現,事實上,細胞分化過程可能不只像樹狀圖,只是單純一層一層往下分支而已,而是能形成循環。比如神經脊細胞(neural crest)最早由神經及皮膚先驅細胞發展而來,但神經脊細胞能分化成平滑肌細胞、特定神經細胞或顱顏顎骨等,幾乎和骨骼及軟骨細胞前驅物非常相似的細胞。

這項發現也表示同樣狀態的兩個細胞可能經由不同路線分化而來,樹狀圖「族譜」顯然不足以描繪細胞分化的上下游關係。

研究團隊還發現細胞分化過程中有特定的「命運分歧點」,能改變細胞的分化路徑,有些細胞還擁有同時活化兩種不同發育路線計畫的基因,處在過渡期的細胞最終會選擇其中一條路,分化為該類細胞。

這項發現也顯示決定細胞最終命運的影響因素除了被開啟的基因,還有我們尚未了解的部分。研究團隊希望了解那些同時開啟多個分化線路的細胞,最終透過什麼方式決定細胞分化走向,除了基因表現方式,是否還有些決定性因子或環境互動參與其中,才導致分化路線不同。

這項對細胞分化的研究,讓科學家像一名已握有地圖的旅行者,只是地圖上還沒有任何標記,科學家現在要做的就是找到讓細胞決定去向的因子,了解過程機制。

研究結果將推進未來疾病相關研究,如再生醫學領域數十年來一直希望透過調控幹細胞分化的路線,來修復或取代受損的細胞組織或器官。Klein 說,這些資訊就像食譜配方,如果研究者希望產生特定細胞功能,只要以該細胞在胚胎中每個時期的表現為參考,系統性重新建構基因表現過程即可。

(首圖來源:shutterstock)