受精卵发育成什么 《科学》重磅：叹为观止！科学家首次解密一个受精卵如何发育成胚胎，实在是太震撼了（多图+视频）| 科学大发现

受精卵是我们生命的起点。当然，不仅仅是人类，线虫和蓝鲸，大多数多细胞生物，生命的开始都只是这样一个细胞。它不断分裂，每一个新的细胞都能在正确的时间到达正确的位置，发挥正确的功能，最终形成一个完整的个体。想起来了，这个过程比女娲扔泥巴的想法酷多了！不得不说，这是自然界最伟大的成就之一。

但是，这个细胞是怎么做到的呢？你想过吗？在本周的《科学》[1，2，3]中，哈佛大学和哈佛医学院的研究人员借助单细胞测序技术，向我们展示了迄今为止在斑马鱼和非洲爪蟾身上这一过程最清晰的“路线图”，一个受精卵何时、如何发育出各种类型的细胞，以及“控制”这一切的基因表达图谱。

斑马鱼的受精卵在几个小时内连续分裂形成复杂的胚胎

斑马鱼的整个胚胎发育过程

非洲爪蟾受精卵的发育

如何形容这三项研究的伟大？可以说，它给我们提供了一个“遗传公式”。有了这个公式，研究人员可以“手动控制”斑马鱼和非洲爪蟾这两种经典模式生物，获得想要的细胞类型，这为发育生物学的研究提供了前所未有的资源。

此外，单细胞测序技术在研究中的成功也为人们将来更清楚地了解癌症等疾病提供了可能性。因为即使是复杂的生物过程，研究人员也可以使用他们的研究方法来重建或模拟细胞随着时间的推移改变基因表达的过程[4]。

接下来是一波图片~

非洲爪蟾(左)和斑马鱼(右)在第6、8、10天器官和相应基因(左端和右端)的出现和表达与神经外胚层(绿色)、非神经外胚层(蓝色)、中胚层(黄色)、内胚层(红色)和其他(黑色)相区别.......受精卵形成后几小时

斑马鱼受精卵形成后6、8、10小时(hpf)，形成不同器官的细胞，最中央的深蓝色是受精卵，以时间为单位向外辐射

胚胎发育树的绘制

斑马鱼的不同“器官”(一):发育树中表皮、端脑(大脑左右半球)、尾芽、内胚层、脊索、脊索前板的“静脉形成”(与上面的胚胎发育树相比)

一些基因的表达(下图)在发育过程中，在不同器官形成的不同阶段的表达(结合以上两个图，我们可以得到一个简单的基因-器官形成控制关系)

以脊索前板(左)和脊索前板(右)为例，受精卵形成后不同时间与受精卵形成有关的基因表达。稍微了解一下动物学，脊索是支撑躯干的结构，类似于脊柱，但不像脊柱，它是骨组织，由富含液泡膜的脊索细胞和附着其上的结缔组织组成。脊索动物存在于脊索动物门的动物中，但脊索动物门分为头索动物亚门、尾索动物亚门和脊椎动物亚门三个亚门。脊索只在头索动物亚门终身存在，分别存在于幼虫尾部和其他两个亚门的早期发育。脊椎动物的脊索结构将随着发育被脊椎所取代。人类和斑马鱼都属于脊椎动物亚门。

研究人员使用的单细胞测序技术是示意性的

没有尖端技术的支持，很难取得这样的成就。单细胞测序技术是分离每个细胞，扩增整个基因组，用第二代测序仪对DNA进行测序。哈佛医学院的两个团队分析了斑马鱼和非洲爪蟾从受精卵到完整胚胎的基因表达谱。

他们使用的单细胞测序技术被称为InDrops。研究人员将大量带有示踪剂的不同DNA片段注入受精卵，将其封装成液滴，并将封装好的液滴放置在只有人发宽度的通道中，排队测序。其他带有示踪DNA的受精卵被严密监测24小时，此时它们的基本器官开始成形，受精卵分裂出的每个新细胞的“最终身份”已经出现。

在分析了20万个细胞后，研究人员将这些新细胞中示踪DNA传递的信息与测序结果结合起来，这样他们就可以跟踪细胞的命运，知道受精卵何时产生不同的类型，如心脏和神经细胞，以及同时表达什么基因。

在哈佛大学的另一项研究中，研究人员使用的单细胞测序技术Drop-Seq的原理与InDrops相同，但传递示踪DNA的方法不同。他们分析了斑马鱼的38000多个胚胎细胞，用计算机算法绘制了12小时内的“胚胎发育树”，揭示了受精卵分化出的25种不同类型细胞的基因表达变化，这也是目前最完整的胚胎发育树。

在研究中，研究人员还发现了一些与他们的认知相反的事实。比如过去学者认为每一个新分裂的细胞的命运都是由基因书写的，肌肉细胞总会向肌肉细胞发展，但实际上并非如此。一些细胞会中途改变类型，相应地，它们的基因表达活性也会改变。

而有些细胞一开始激活两条发育途径，虽然最后只会选择其中一条，但研究人员不知道为什么会选择这一条，他们认为可能有基因以外的因素控制细胞的命运。大自然的设计远比我们想象的复杂。

另外，非洲爪蟾和斑马鱼之间，一些基因的DNA序列和编码的蛋白质结构其实是相同的，只是不同物种之间的表达差异很大。

未来，研究人员将研究控制细胞命运的其他因素，以便更好地理解“发展”的过程。

三个团队把自己的研究成果和开发的计算方法放在学校官网上，与其他研究者分享。有兴趣的读者可以自己查~

哈佛医学院团队:

斑马鱼:https://kleintools.hms.harvard.edu/paper _网站/Wagner _斑马鱼_时间资源2018/mainpage.html

非洲爪蟾:http://kleintools.hms.harvard.edu/TREE_demo/viewTree.html?爪蟾

哈佛团队:https://portals.broadinstitute.org/single _细胞/研究/单细胞-发育重建-项目-斑马鱼-胚胎学

哈佛研究小组使用的计算方法:https://github.com/farrellja/URD