生命發(fā)育往往并非一帆風(fēng)順。很多胚胎在不同發(fā)育階段都會出現(xiàn)各個種類、不同程度的細(xì)胞行為異常，但這并不會影響胚胎的最終存活。其背后原因是什么呢？

利用單細(xì)胞高精度實時追蹤技術(shù)對秀麗線蟲胚胎細(xì)胞進(jìn)行追蹤研究，中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員杜茁團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，胚胎發(fā)育具有的糾錯潛能，可賦予生物學(xué)過程穩(wěn)固性。

北京時間2022年7月25日晚23時，相關(guān)論文在線發(fā)表于《細(xì)胞系統(tǒng)》雜志。

“這項研究引人矚目，利用活體成像分析了超過百萬個線蟲胚胎細(xì)胞在750個基因敲降條件下的細(xì)胞表型，凸顯了發(fā)育系統(tǒng)的高度穩(wěn)固性。一些研究結(jié)果具有高度原創(chuàng)性。”一位審稿人如是評價。

“敲敲敲”中轉(zhuǎn)變思路

一開始，杜茁和團(tuán)隊并不是奔著胚胎發(fā)育如何糾錯去研究的，他們只是想系統(tǒng)地了解線蟲一部分基因的表型（個體形態(tài)、功能等表現(xiàn)）。

上世紀(jì)七八十年代，科學(xué)家揭示了線蟲這個多細(xì)胞動物整個發(fā)育過程的細(xì)胞圖譜，使其逐漸成為高精度解析發(fā)育動態(tài)調(diào)控的先導(dǎo)模式動物。但參與調(diào)控發(fā)育的基因功能尚未完全闡明。

為此，杜茁團(tuán)隊計劃用基因敲降來了解一部分保守基因的系統(tǒng)表型。“在生物學(xué)研究中，敲除是讓目標(biāo)基因完全不存在，涉及構(gòu)建突變體周期比較長；敲降則是目標(biāo)基因仍然存在，但表達(dá)量減少，通過RNA干擾技術(shù)研究效率比較高，并且在線蟲尤有效，被廣泛采用。”論文通訊作者杜茁向《中國科學(xué)報》解釋。

敲降數(shù)百個基因的功能對于研究團(tuán)隊來說，并非難事。杜茁表示，其難點在于如何細(xì)致、精確地了解胚胎發(fā)育過程中一個基因的表型。發(fā)育是個連續(xù)、動態(tài)的過程，連續(xù)觀測以及高時空分辨率地進(jìn)行表型分析是件耗時費力的活。

特別是，表型的細(xì)微變化是肉眼無法觀察到的復(fù)雜過程。研究團(tuán)隊每做一次敲降就要做一次成像，敲除數(shù)百個基因需要上千次成像和分析，而且需要覆蓋到各種細(xì)胞，以此獲得表型組數(shù)據(jù)。

“這也是以往相關(guān)研究很難推進(jìn)的原因，因為沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)去判斷表型變化過于主觀。”杜茁說。

為此，研究團(tuán)隊建立了一套高精度細(xì)胞追蹤方法，利用蛋白熒光標(biāo)記和四維實時活體成像技術(shù)，對線蟲胚胎在細(xì)胞層面的發(fā)育進(jìn)行原位、實時、連續(xù)且大規(guī)模地跟蹤。通過與未敲除基因的線蟲進(jìn)行比較，他們希望了解發(fā)育過程中的某個階段，基因敲降是否會發(fā)生表型變化，以及發(fā)生了怎樣的變化。

他們用三年多的時間不斷采集、分析數(shù)據(jù)，不斷發(fā)現(xiàn)一些基因敲降后的表型“時有時無”——不同時間節(jié)點一開始出現(xiàn)的表型（即細(xì)胞異常）后來卻消失了。例如在線蟲胚胎某一發(fā)育階段，特定細(xì)胞的定位出現(xiàn)顯著偏差，但其分裂后的子代細(xì)胞定位卻恢復(fù)了正常。同時，線蟲基因表達(dá)具有極強(qiáng)的時間特異性，當(dāng)細(xì)胞分裂時間發(fā)生延遲，理論上可導(dǎo)致基因表達(dá)的相對提早。然而很多情況下這并未發(fā)生。

“早期的胚胎發(fā)育錯誤，為什么晚期不存在了？”這讓杜茁和團(tuán)隊意識到，胚胎發(fā)育可能具有主動糾錯功能。

隨著相關(guān)數(shù)據(jù)不斷積累，做完約750個基因敲降后，研究團(tuán)隊走上了另一個思路：系統(tǒng)研究胚胎發(fā)育是否會糾錯以及如何糾錯。

胚胎發(fā)育細(xì)胞分裂圖，從中心到外緣逐漸發(fā)育成熟。課題組供圖

從“險象環(huán)生”到“化險為夷”

“所謂穩(wěn)固性，即生物體在一定的遺傳和環(huán)境擾動條件下具有維持其狀態(tài)相對正常的能力，這對應(yīng)對遺傳突變和適應(yīng)環(huán)境改變具有重要意義。”論文第一作者、杜茁團(tuán)隊博士后肖龍解釋說。

既往研究表明，很多分子機(jī)制都可賦予生物學(xué)過程穩(wěn)固性，如基因表達(dá)隨機(jī)性、基因功能劑量補(bǔ)償、反饋調(diào)控等。但多細(xì)胞生物的發(fā)育等復(fù)雜過程受到多層次調(diào)控，在細(xì)胞、組織、器官及個體水平等層面的穩(wěn)固性的表現(xiàn)形式和調(diào)控方式仍有待系統(tǒng)研究。

為探究單個基因功能的擾動在多大程度上可誘發(fā)細(xì)胞的發(fā)育行為異常，研究團(tuán)隊量化了胚胎發(fā)育在約750個基因功能部分失活條件下的單細(xì)胞分辨率時空發(fā)育表型組。結(jié)果發(fā)現(xiàn)胚胎發(fā)育過程可謂“險象環(huán)生”：超過半數(shù)基因其功能的部分缺失可導(dǎo)致顯著的細(xì)胞行為異常。

據(jù)介紹，線蟲有約20000個基因，胚胎發(fā)育產(chǎn)生了千余個細(xì)胞，此次研究涉及到線蟲胚胎的一半細(xì)胞。作者表示，由于此次RNA干擾僅實現(xiàn)有限的敲降，且研究并未覆蓋全部細(xì)胞的全部表型，表明單個保守基因功能的喪失可時常誘發(fā)特定細(xì)胞的發(fā)育異常。

研究發(fā)現(xiàn)，相關(guān)發(fā)育異常存在于細(xì)胞周期長度、分裂異步性、不對稱分裂、神經(jīng)分化報告基因表達(dá)狀態(tài)、細(xì)胞分裂角度及空間定位等方面。“這說明分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)雖然整體穩(wěn)固，但卻可時常在特定細(xì)胞被‘攻破’，出現(xiàn)異常，并潛在威脅胚胎發(fā)育。”肖龍說，這一發(fā)現(xiàn)還說明分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的功能性和穩(wěn)固性存在相互制衡，難以兩全，不同的細(xì)胞有著不同的抉擇。

“出人意料的是，這項研究發(fā)現(xiàn)很多孵化的胚胎攜帶了大量細(xì)胞層面的表型異常。”一位審稿人說。他同時表示，這項研究的亮點是針對穩(wěn)固性調(diào)控的新機(jī)制開展了分析，發(fā)現(xiàn)早期細(xì)胞的多種異常往往能通過多種方式在晚期胚胎被“修正”。

那么，胚胎發(fā)育中的表型異常如何“化險為夷”呢？研究發(fā)現(xiàn)，它可以通過多種方式糾正與緩和。作者主要研究了其中三種方式。

首先，發(fā)育是一個不斷傳承和發(fā)展的動態(tài)過程，一時錯不代表永遠(yuǎn)錯。如細(xì)胞分裂時間的改變、基因表達(dá)的異常及細(xì)胞空間定位的異常等，一定比例的當(dāng)代細(xì)胞的行為異�？稍谄渥哟�細(xì)胞中被緩解或消除。

其次，一種細(xì)胞行為異常所帶來的潛在影響通過改變另一行為而緩解。如當(dāng)細(xì)胞分裂時間發(fā)生延遲時，基因表達(dá)的時間可保持與延遲的細(xì)胞分裂協(xié)調(diào)，在一定程度上消除有害隱患。

此外，研究定義了在發(fā)育起源和功能上相關(guān)的細(xì)胞集群，發(fā)現(xiàn)多細(xì)胞性和細(xì)胞社會性有助于緩解細(xì)胞行為的異常。例如，即便部分細(xì)胞的空間定位發(fā)生了嚴(yán)重異常，細(xì)胞集群會通過“內(nèi)部調(diào)整”使細(xì)胞排布傾向于整體正常，保持細(xì)胞狀態(tài)相對穩(wěn)定。

“這些發(fā)現(xiàn)每個都十分有趣和有意義。”上述審稿人說，特別是細(xì)胞位置雖然發(fā)生整體變化，但在功能相關(guān)的細(xì)胞內(nèi)部卻相對“正常”，提示功能相關(guān)的細(xì)胞具有保護(hù)細(xì)胞位置相對正常的機(jī)制。

生命不息，變化不止。圖為線蟲胚胎早期細(xì)胞幾次分裂過程。課題組供圖

化“隨機(jī)應(yīng)變”為“主動出擊”

發(fā)現(xiàn)胚胎具有糾錯機(jī)制有何意義呢？肖龍表示，雖然線蟲發(fā)育過程中細(xì)胞的行為和命運長期被認(rèn)為高度固化和恒定，這項研究則表明即便是采用“固定”發(fā)育程序的線蟲胚胎細(xì)胞仍然具有較高的可塑性，并可用于應(yīng)對發(fā)育異常。

“像杜茁實驗室既往工作一樣，這樣高質(zhì)量的創(chuàng)新研究數(shù)據(jù)為線蟲胚胎發(fā)育研究，乃至更為廣泛的發(fā)育穩(wěn)固性研究提供了有價值的信息。”另一位審稿人說。

杜茁希望，通過研究胚胎發(fā)育如何“隨機(jī)應(yīng)變”應(yīng)對表型錯誤，能夠?qū)�疾病�?fù)雜性的認(rèn)知產(chǎn)生幫助，未來助力對一些疾病治療的“主動出擊”。例如，攜帶同一致病突變的人群中往往有些個體并未表現(xiàn)出疾病表型，是否是這些個體中細(xì)胞層次的補(bǔ)償機(jī)制參與致病效應(yīng)的糾正，從而表現(xiàn)出表型不完全外顯現(xiàn)象？對這些可能性進(jìn)行探究也許有助于一些疾病的治療。另外，細(xì)胞集群有助緩解細(xì)胞行為的異常，是否可以通過強(qiáng)化這種協(xié)調(diào)機(jī)制實現(xiàn)一些疾病表型的緩解？

不過，他坦言，目前距離這一步仍然較遠(yuǎn)。當(dāng)前的研究僅初步揭示了多種形式的應(yīng)對細(xì)胞發(fā)育行為異常的可能策略，拓展了關(guān)于發(fā)育穩(wěn)固性多層次調(diào)控的認(rèn)知。細(xì)胞如何感知行為異常？如何誘發(fā)不同類別的補(bǔ)償行為？分子和細(xì)胞如何參與其中？這些問題仍有待進(jìn)一步探索。

杜茁研究組博士后肖龍為論文第一作者，范渡長江、齊歡和叢俞林對研究有重要貢獻(xiàn)，杜茁研究員為通訊作者。該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金及中國博士后科學(xué)基金的資助。

相關(guān)論文信息：

DOI: 10.1016/j.cels.2022.07.001