单细胞尺度细胞谱系追踪技术斩获科学杂

今日，「科学」杂志发布了年度十大突破，单细胞尺度细胞谱系追踪技术斩获「科学」杂志十大年度科学突破第一名。

该项研究内容为：近期，科学家证明了DNA最终能够协调细胞繁殖和专业化的过程。正如音乐乐谱表明琴弦，铜管乐器，打击乐器和木管乐器何时会创作交响乐一样，当单个细胞中的基因开启时，技术组合就会显露出来，提示细胞发挥其特殊的作用。结果是能够以惊人的细节，逐个细胞和时间跟踪生物和器官的发育。科学正在认识到技术的结合，以及它促进基础研究和医学进步的潜力，成为年的年度突破。

推动这些进步的技术是从生物体中分离出数千个完整细胞，有效地对每个细胞中表达的遗传物质进行测序，并使用计算机或标记细胞，重建它们在空间和时间上的关系。德国MaxDelbrück分子医学中心的系统生物学家NikolausRajewsky说，这项技术三重奏“将改变未来十年的研究”。仅在今年，论文详述了扁虫，鱼类，青蛙和其他生物如何开始制造器官和附属物。世界各地的团体正在应用这些技术研究人类细胞如何在一生中成熟，组织如何再生，以及细胞如何在疾病中发生变化。

分离数千个单个细胞并对每个细胞进行测序的能力为研究人员提供了当时每个细胞中产生RNA的快照。由于RNA序列对产生它们的基因具有特异性，研究人员可以看到哪些基因是活跃的。那些活跃的基因定义细胞的作用。

这种被称为单细胞RNA-seq的技术组合在过去几年中得到了发展。但是去年出现了一个转折点，当时两个小组表明它可以在足够大的规模上完成，以追踪早期发展。一组使用单细胞RNA-seq测量在果蝇胚胎的一个时间点提取的个细胞中的基因活性。大约在同一时间，另一个团队分析了来自线虫Caenorhabditiselegans的一个幼虫期的50,个细胞的基因活性。数据表明哪种蛋白质，称为转录因子，指导细胞分化成特殊类型。

今年，这些研究人员和其他人对脊椎动物胚胎进行了更为广泛的分析。他们使用各种复杂的计算方法，将不同时间点的单细胞RNA-seq读数联系起来，揭示定义在那些更复杂的生物体中形成的细胞类型的基因组的开启和关闭。一项研究揭示了受精斑马鱼卵如何产生25种细胞类型;另一个通过器官形成的早期阶段监测青蛙发育，并确定一些细胞比先前认为的更早开始专门化。“这些技术回答了有关胚胎学的基本问题，”哈佛大学干细胞生物学家LeonardZon说。

对一些动物如何再生四肢或全身感兴趣的研究人员也转向单细胞RNA-seq。两组研究了水生扁虫中称为planaria的基因表达模式-在生物学的冠军再生者中-在它们被切成碎片之后。科学家们发现了新的细胞类型和发育轨迹，这些细胞类型和发育轨迹随着每件作品重新回归整个人而出现另一组人追踪了在蝾螈身上打开和关闭的基因，蝾螈是一种失去前肢的蝾螈。研究人员发现，一些成熟的肢体组织恢复到胚胎，未分化状态，然后进行细胞和分子重编程以构建新的肢体。

通过将这些技术与单细胞RNA-seq相结合，研究人员可以监测单个细胞的行为，并了解它们如何适应生物体的展开结构。使用这种方法，一个团队确定了斑马鱼大脑中超过种细胞类型的关系。研究人员使用CRISPR标记早期胚胎细胞，然后在不同时间点对60,个细胞进行分离和测序，以跟踪鱼胚胎发育过程中的基因活动。

其他团体正在应用类似的技术来追踪发育中的器官，四肢或其他组织中发生的情况-以及这些过程如何出错，导致畸形或疾病。加利福尼亚大学旧金山分校的干细胞生物学家JonathanWeissman说：“它就像一个飞行记录仪，你在哪里看错了什么，而不只是看最后的快照。”“我们可以通过之前无法解决的决议提问。”

虽然这些技术不能直接用于开发人类胚胎，但研究人员正在将这些方法应用于人体组织和类器官，以逐个细胞研究基因活性并表征细胞类型。一个名为人类细胞图集的国际联盟正在努力确定每种人类细胞类型，每种类型都位于体内，以及细胞如何协同作用形成组织和器官。已经有一个项目确定了大多数（如果不是全部）肾细胞类型，包括那些容易发生癌变的细胞类型。另一项努力揭示了孕产妇和胎儿细胞之间的相互作用，允许怀孕进行。此外，还有来自欧洲的53家机构和60家公司的合作，称为LifeTime联盟，

高分辨率的发展和疾病电影只会变得更加引人注目。已在网上发布的论文将开发研究扩展到越来越复杂的生物体。研究人员希望将单细胞RNA-seq与新的显微镜技术相结合，以确定每个细胞中其独特的分子活动发生在哪里以及相邻细胞如何影响该活动。

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