線蟲胚胎發(fā)育之路，從中心到外緣胚胎細胞不斷分裂，走向成熟。杜茁團隊供圖

　　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？

　　利用單細胞高精度實時追蹤技術(shù)對秀麗線蟲胚胎細胞進行追蹤研究，中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員杜茁團隊發(fā)現(xiàn)，胚胎發(fā)育具有糾錯潛能，可賦予生物學(xué)過程穩(wěn)固性。相關(guān)研究近日在線發(fā)表于《細胞系統(tǒng)》。

　　“這項研究引人矚目，利用活體成像分析了超百萬個線蟲胚胎細胞在750個基因敲降條件下的細胞表型，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，杜茁團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)）。

　　上世紀七八十年代，科學(xué)家揭示了線蟲這個多細胞動物整個發(fā)育過程的細胞圖譜，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。但參與其調(diào)控發(fā)育的基因功能尚未完全闡明。

　　為此，杜茁團隊計劃用基因敲降來了解一部分保守基因的系統(tǒng)表型?！霸谏飳W(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，但表達量減少，通過RNA干擾技術(shù)研究效率比較高，并且在線蟲中應(yīng)用尤其有效，被廣泛采用?！痹撗芯客ㄓ嵶髡叨抛孪颉吨袊茖W(xué)報》解釋道。

　　敲降數(shù)百個基因的功能對于研究團隊來說，并非難事。杜茁表示，其難點在于如何細致、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行表型分析是個耗時費力的活。

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

　　“這也是以往相關(guān)研究很難推進的原因，因為沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)，判斷表型變化過于主觀?！倍抛抡f。

　　為此，研究團隊建立了一套高精度細胞追蹤方法，利用蛋白熒光標(biāo)記和四維實時活體成像技術(shù)，對線蟲胚胎在細胞層面的發(fā)育進行原位、實時、連續(xù)且大規(guī)模的跟蹤。通過將其與未敲除基因的線蟲進行比較，他們希望了解發(fā)育過程中的某個階段，基因敲降是否會導(dǎo)致表型變化，如果導(dǎo)致了變化，變化是怎樣的。

　　他們用3年多的時間不斷采集、分析數(shù)據(jù)，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，特定細胞的定位出現(xiàn)顯著偏差，但其分裂后的子代細胞定位卻恢復(fù)了正常。同時，線蟲基因表達具有極強的時間特異性，當(dāng)細胞分裂時間發(fā)生延遲，理論上可導(dǎo)致基因表達的相對提早。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？”這讓杜茁團隊意識到，胚胎發(fā)育可能具有主動糾錯功能。

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

　　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?！毖芯康谝蛔髡?、杜茁團隊博士后肖龍解釋道。

　　既往研究表明，很多分子機制都可賦予生物學(xué)過程穩(wěn)固性，如基因表達隨機性、基因功能劑量補償、反饋調(diào)控等。但多細胞生物的發(fā)育等復(fù)雜過程受到多層次調(diào)控，在細胞、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)細胞的發(fā)育行為異常，研究團隊量化了胚胎發(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)基因的部分功能缺失可導(dǎo)致顯著的細胞行為異常。

　　據(jù)介紹，線蟲有約20000個基因，胚胎發(fā)育產(chǎn)生了千余個細胞，此次研究涉及了線蟲胚胎一半的細胞。研究人員表示，由于此次RNA干擾僅實現(xiàn)有限的敲降，且研究未覆蓋全部細胞的所有表型，表明單個保守基因功能的喪失可時常誘發(fā)特定細胞的發(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)分化報告基因表達狀態(tài)、細胞分裂角度及空間定位等方面?！斑@說明分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)雖然整體穩(wěn)固，但卻時常在特定細胞中被‘攻破’，出現(xiàn)異常，成為胚胎發(fā)育的潛在威脅?！毙堈f，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)固性相互制衡，難以兩全，不同的細胞有著不同的抉擇。

　　“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胞層面的表型異常?！币晃粚徃迦苏f。他同時表示，這項研究的亮點是針對穩(wěn)固性調(diào)控的新機制開展了分析，發(fā)現(xiàn)早期細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。杜茁團隊主要研究了其中3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，一時錯不代表永遠錯。如細胞分裂時間的改變、基因表達的異常及細胞空間定位的異常等，一定比例的當(dāng)代細胞的行為異?？稍谄渥哟毎斜痪徑饣蛳?。

　　其次，一種細胞行為異常所帶來的潛在影響可通過改變另一行為而緩解。如當(dāng)細胞分裂時間發(fā)生延遲時，基因表達的時間可保持與延遲的細胞分裂協(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)的細胞集群，發(fā)現(xiàn)多細胞性和細胞社會性有助于緩解細胞行為的異常。例如，即便部分細胞的空間定位發(fā)生了嚴重異常，細胞集群也會通過“內(nèi)部調(diào)整”使細胞排布傾向于整體正常，保持細胞狀態(tài)相對穩(wěn)定。

　　“這些發(fā)現(xiàn)都十分有趣和有意義?！鄙鲜鰧徃迦苏f，特別是細胞位置雖然發(fā)生整體變化，但在功能相關(guān)的細胞內(nèi)部卻相對“正?！?，提示功能相關(guān)的細胞具有保護細胞位置相對正常的機制。

　　化“隨機應(yīng)變”為“主動出擊”

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

　　“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?！绷硪晃粚徃迦苏f。

　　杜茁希望，通過研究胚胎發(fā)育如何“隨機應(yīng)變”應(yīng)對表型錯誤，能夠?qū)膊?fù)雜性認知產(chǎn)生幫助，助力“主動出擊”治療一些疾病。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胞層次的補償機制參與致病效應(yīng)的糾正，從而出現(xiàn)表型不完全外顯現(xiàn)象？對這些可能性進行探究也許有助于治療一些疾病。另外，細胞集群有助緩解細胞行為的異常，是否可以通過強化這種協(xié)調(diào)機制實現(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。細胞如何感知行為異常、如何誘發(fā)不同類別的補償行為？分子和細胞如何參與其中？這些問題仍待進一步探索。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cels.2022.07.001