几十年来，科学家们已经能够观察胚胎发育过程中的各个时刻：发育中的大脑的快照，心脏如何形成的图片，或者细胞开始形成神经系统的一瞥。
但是，如果他们可以观看整个过程，而不是拍摄快照呢？
怀特海德生物医学研究所成员、霍华德休斯医学研究所研究员、麻省理工学院教授乔纳森·韦斯曼 (Jonathan Weissman) 的实验室进行的一项新研究，提供了迄今为止关于哺乳动物如何逐个细胞构建的最详细视图之一。
通过跟踪小鼠胚胎发育过程中超过一百万个细胞的家族史，研究人员创建了一种发育蓝图或电影，展示细胞如何分裂并最终成为体内的组织和器官。
这项开放获取的研究成果于 10 月 8 日发表在《细胞》杂志上，由耶鲁大学扎卡里·史密斯 (Zachary Smith) 团队和马克斯·普朗克分子遗传学研究所合作，提供了对长期以来分段研究的过程的全面了解：单个受精卵如何产生数百种不同类型的细胞，并在正确的位置和时间排列以构建动物。
“这实际上是基因组中的信息如何在空间和时间上发挥作用，从线性 DNA 转变为三维动物的观点，”韦斯曼说。
该地图可能对了解出生缺陷和癌症具有广泛的影响。当细胞在组织和器官组装过程中改变方向时，就会出现许多出生缺陷。典型发育的详细地图可以帮助研究人员查明这些过程何时何地出现问题。在癌症中，同样的方法可以帮助科学家追踪细胞何时获得传播或抵抗治疗的能力等特征。
该图谱还可以通过揭示导致成熟、有功能的细胞类型的细胞状态序列来为干细胞研究提供信息。
20 世纪 80 年代，科学家们冒险进入类似的领域，煞费苦心地追踪秀丽隐杆线虫的发育，这是一种透明身体仅包含约 1,000 个细胞的微小蠕虫。使用显微镜，他们可以追踪单个细胞如何分裂以及它们的后代最终去向何处。
但在哺乳动物身上实现类似的目标是一个规模截然不同的挑战。哺乳动物胚胎含有更多的细胞，在子宫内发育——看不见——并且不遵循完全预先确定的脚本。
这项新研究利用 Weissman 实验室开发的一项名为 PEtracer 的技术来应对这一挑战。该系统的作用有点像细胞内的飞行记录器。 PEtracer 对 DNA 进行微小的、可遗传的改变，这些改变会随着细胞分裂而传递下去。通过稍后读取这些变化，科学家可以逆向重建哪些细胞来自哪些祖先，本质上为发育中的胚胎中的细胞建立一个家谱。
在这项工作中，研究人员将这些家谱与每个细胞中打开的基因以及这些细胞在胚胎中的位置等信息结合起来。他们分析了在发育过程中多个点收集的小鼠胚胎中超过一百万个细胞，使它们不仅能够追踪细胞最终的去向，还能追踪它们何时开始走向特定的命运。
华盛顿大学 Jay Shendure 团队的一项新研究同时发表在《科学》杂志上，该研究使用一种称为 DNA 打字机的相关方法来跟踪发育中的小鼠胚胎的细胞分裂，并建立其细胞历史的记录。
这两项研究都比以前更全面地了解了哺乳动物的发育。然而，韦斯曼团队研究了处于紧密发育阶段的胚胎，在每个阶段观察多个胚胎。这让他们对发育如何展开有了更详细的了解，并让他们能够了解细胞从一个胚胎到另一个胚胎遵循相同路径的一致性如何。
通过这个详细的时间表，研究人员还可以确定细胞何时决定特定的命运，有多少早期细胞继续形成组织，以及它们最终如何对发育中的器官做出贡献。
虽然早期的研究可能集中在一个细胞群上，但这种方法将这些个体故事置于整个发育动物的背景中——这种视角对于理解疾病特别有用。
例如，癌症不是单一事件，而是细胞随着时间的推移获得新特征的过程，包括扩散或抵抗治疗的能力。谱系图谱可以让研究人员追踪这些特征何时出现，以及细胞在获得这些特征时如何变化。
“发育和癌症都取决于细胞对它们将成为什么的决定，”韦斯曼实验室的博士后、该论文的共同第一作者卢克·科布兰(Luke Koblan)说。 “通过追踪细胞在小鼠胚胎中的发育情况，我们希望更好地了解癌细胞如何发生变化，从而帮助它们扩散或抵抗治疗。”
这项工作还可以为干细胞研究提供新的指导。科学家们花了几十年的时间试图诱导干细胞成为特定细胞类型的成熟、有功能的版本，用于研究或潜在的治疗。但重现胚胎中的精确条件是很困难的。
研究生兼共同第一作者威廉·科尔根（William Colgan）说：“如果我们能够制定出如何创建体内每种细胞类型的分步方法，那么这对于干细胞生物学来说将是非常强大的。”
韦斯曼将这项工作与人类基因组计划进行了比较：了解人类基因组序列为科学家提供了构建有机体的成分，但没有提供如何使用这些成分的说明。
“基因组就像四道菜的配料表，”他说。 “它告诉你配料是什么，但它不会告诉你何时使用哪些成分、使用多少或将它们放在哪里。没有食谱，就不可能知道这些成分如何成为膳食。”
这张新地图开始填补缺失食谱的细节。研究结果是研究人员可以用来以全新方式探索哺乳动物发育的资源。科学家们现在可以开始了解这些过程如何组合成一个正在展开的故事，而不是把发展作为一系列单独过程的集合来研究。
