无论是蠕虫，人类还是蓝鲸，所有多细胞生命都以单细胞蛋开始。从这个孤立的细胞中出现了构建有机体所需的其他星系，每个新细胞在正确的时间在正确的位置发展，以便与邻居协调发挥精确的功能。

这一壮举是自然界中最引人注目的壮举之一，尽管经过数十年的研究，生物学家仍然无法完全理解这一过程。

现在，在4月26日在线发表的三篇具有里程碑意义的研究中，哈佛医学院和哈佛大学的研究人员报告了他们如何系统地分析发育斑马鱼和青蛙胚胎的每一个细胞，以建立一个路线图，揭示一个细胞如何构建整个生物体。

使用单细胞测序技术，研究团队在胚胎生命的最初24小时内追踪个体细胞的命运。他们的分析揭示了基因开启或关闭的综合景观，以及何时，当胚胎细胞转变为新的细胞状态和类型时。总之，这些发现代表了遗传“配方”的目录，用于在两个重要的模式物种中产生不同的细胞类型，并为发育生物学和疾病的研究提供了前所未有的资源。

“通过单细胞测序，我们可以在一天的工作中，重温几十年来对细胞在生命早期阶段做出的决策的艰苦研究，”系统生物学HMS助理教授兼两位共同作者Allon Klein说。三项科学研究。

研究人员表示，生物医学方面，这些生物体如何发展的基线资源与为其基因组提供基线资源同样重要。

“通过我们开发的方法，我们正在绘制我们认为发展生物学的未来将会转变为定量的，'大数据'驱动的科学，”Klein说。

Harvard分子与细胞生物学Leo Erikson生命科学教授亚历山大·希尔(Alexander Schier)表示，除了为生命的早期阶段提供新的视角外，这项工作还可以为大量疾病的新认识打开大门。第三项研究的作者。

“我们预见，任何复杂的生物过程，其中细胞随时间改变基因表达可以使用这种方法重建，”Schier说。“不仅是胚胎的发育，还有癌症或脑退化的发展。”

一次一个

发育中胚胎中的每个细胞都携带有机体完整基因组的拷贝。就像建筑工人在铺设建筑物的基础时仅使用蓝图的相关部分一样，细胞必须在适当的时间表达必要的基因以使胚胎正确发育。

在他们的研究中，Klein与合作者Marc Kirschner，HMS John Franklin Enders大学系统生物学教授，Sean Megason，HMS系统生物学副教授及其同事合作，分析了斑马鱼和西爪蟾(非洲爪蟾)的这一过程。胚胎，生物学中研究最多的两个模型物种。

研究人员利用InDrops的强大功能，这是由Klein，Kirschner及其同事在HMS开发的单细胞测序技术，用于从胚胎的每个细胞中捕获基因表达数据，一次一个细胞。这两个团队在24小时内在多个时间点共同分析了超过200,000个细胞。

“这几乎就像是从看到几颗恒星看到整个宇宙”，施尔说。

为了绘制胚胎发育过程中基本上每个细胞的谱系，以及标记新细胞状态和类型的基因表达事件的精确序列，研究小组开发了新的实验和计算技术，包括引入人工DNA条形码来跟踪细胞之间的谱系关系，称为TracerSeq。

在由Schier共同领导的研究中，研究团队使用Drop-Seq-由HMS研究人员和麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所开发的单细胞测序技术，以高时间分辨率研究斑马鱼胚胎超过12小时。与Broad，Schier及其同事的核心成员Aviv Regev合作，通过他们命名为URD的计算方法重建了细胞轨迹，这是在决定所有命运的北欧神话人物之后。

Schier及其同事描述了超过38,000个细胞，并开​​发了一种细胞“家谱”，揭示了25种细胞类型中的基因表达如何变化。通过将这些数据与空间推断相结合，该团队还能够重建早期斑马鱼胚胎中各种细胞类型的空间起源。

成功秘诀在这两个物种中，研究小组的研究结果反映了之前对胚胎发育进展的了解，这一结果强调了新方法的力量。但是这些分析在全面详细地揭示将细胞从早期祖先或“通才”状态转移到具有狭义功能的更专业化状态的事件级联中是前所未有的。

对于那些努力回答人类疾病问题的科学家来说，这些数据可能会有力地发挥作用。例如，在再生医学中，研究人员数十年来一直致力于将干细胞用于特定的命运，目的是用功能性细胞替代缺陷细胞，组织或器官。关于特定细胞类型出现的基因表达变化序列的新收集细节可以进一步推动这些努力。