Science十大科学突破之单细胞水平细胞谱系追踪

12月21日Science杂志公布了2018年度十大科学突破。今年的Science十大科学突破之首是单细胞水平细胞谱系追踪技术，除此之外，今年的十大科学突破中生物类的包括：细胞如何管理其内含物，进入原始世界的分子窗口，基因沉默药物获批，法医系谱学走向成熟，以及古老的人类“混血儿”。此外今年Science还公布了2018年“科学崩坏”事件，其中包括首例基因组编辑婴儿的诞生。

理解任何多细胞生命系统的前提是理解“细胞”，今天，单细胞研究已经不再只是纸上谈兵了，全球已经有许多实验室展开了单细胞研究。其实从古希腊“医学之父”希波克拉底的时代起，科学家们就对单个细胞可以发育成拥有多种器官和亿万细胞的成体而感到震惊，这位古希腊医生认为母亲呼吸的湿气有助于婴儿的发育，但现在我们知道是DNA最终协调细胞繁殖和分化的过程。

现如今，科学家已经证明，遗传物质就像音乐乐谱一样，指挥着铜乐，弦乐，打击乐器等创作出交响乐来，当单个细胞中的基因开启时，我们可以通过技术组合揭示细胞是如何发挥其特殊的作用，从而以惊人的力量，逐个细胞，实时追踪生物和器官的发育。

正是这个原因，我们越来越来认识到技术结合的力量，以及它在促进基础研究和医学进步方面的潜力，因此Science挑选了单细胞水平细胞谱系追踪技术成为2018年的年度突破。

具体来说，Science介绍了三种能帮助科学家在个体细胞水平确定哪些基因会在胚胎早期发育时被开启或关闭的新方法。Science新闻编辑Tim Appenzeller说：“这些技术创造了史上最不同凡响的电影，它们显示了单一细胞是如何生长成为成年动物的复杂组织与器官的。”

Science杂志撰稿人Elizabeth Pennisi说：“仅在2018年，单细胞研究详细描述了扁虫、鱼、蛙及其它生物是如何开始形成器官的。全世界各地的研究团队正在应用这些技术来研究人类细胞是如何在其一生中成熟的，组织是如何再生的及细胞是如何在疾病（包括癌症）中发生改变的。”

“胚胎发育”的最详细过程

一个受精卵究竟是如何产生构成完整身体的多种细胞类型、组织和器官的？这是生物学领域最大的谜题之一。来自哈佛大学、Broad研究所等机构的科学家们结合单细胞测序技术和新型计算工具，提供了关于这一过程最详细的图谱。

在斑马鱼研究中，Klein 和Megason分析了约92,000个斑马鱼细胞，收集了来自7个不同胚胎阶段的mRNA数据。研究小组从发育了4小时的胚胎开始调查，在受精后24小时（这是基本器官开始出现的时间点）结束。每个细胞的基因活动模式表明了它的发展方向，并最终揭示了它的身份。

为了追踪细胞及其后代是如何随时间变化的，研究人员给一些单细胞鱼胚胎（single-cell fish embryo）植入了基因示踪剂（genetic tracers）：许多微小的独特DNA片段被注入到胚胎的细胞质中。当细胞在不断成长的胚胎中反复分裂时，这些“条形码”（barcodes，也就是基因示踪剂）会进入细胞核，并被“合并”到染色体中。实验结束时，每个细胞谱系最终都会形成一个独特的条形码组合。通过将这些信息与基因活动特征（gene activity profiles）结合起来，研究小组能够通过时间来追踪细胞的命运，看看一个受精卵是如何产生各种特殊细胞的，如心脏细胞、神经细胞和皮肤细胞。

单细胞测序“黑科技”

Nature Biotechnology期刊同期发表了两项单细胞测序的“黑科技”，为该技术的发展带来了新的突破。

在第一篇文章中，来自俄勒冈健康与科学大学（OHSU）的研究团队首次开发出一种高度可扩展的单细胞全基因组甲基化分析方法，能够高效且快速识别人体内细胞亚型。

在sci-MET技术中，研究人员为每个细胞添加一种能够被测序仪读取的特异性DNA标签，能同时分析大量单细胞的甲基化组信息。研究人员在多个人类细胞系和小鼠脑细胞中验证了这种新技术，获得了3,282个单细胞重亚硫酸氢盐测序（scBS-seq）文库，揭示了单细胞的甲基化组信息，该数字是现有单细胞测序方法通量的40倍，并实现了68±8％的reads回贴率（alignment rates）。利用sci-MET技术，研究人员对三种人类细胞系混合物的细胞特征进行了鉴别，并从小鼠皮层组织中成功鉴定出兴奋性和抑制性神经元。

在另一篇文章中，来自德国马克斯·德尔布吕克分子医学中心的研究团队开发出一种名为“LINNAEUS”的技术，能够在数千个单个细胞中同时进行谱系追踪和转录组分析，提供了一种系统的方法来追踪新型细胞的起源或在不同条件下对已知的细胞类型进行鉴定。

LINNAEUS的技术原理正是这些DNA中的“疤痕”，其作用类似于一个条形码，研究人员正是利用这些“疤痕”识别细胞来源。研究人员将scRNA-seq与谱系条形码的计算分析相结合，并借助先进的CRISPR-Cas9基因组编辑技术，重构了斑马鱼幼体以及成年斑马鱼心脏、肝脏、胰腺和端脑的发育谱系树。具体而言，研究人员对处于单细胞阶段斑马鱼胚胎细胞注射了CRISPR-Cas9系统。在接下来的8小时中，Cas9多次切割了斑马鱼基因组中绝对不需要的序列：红色荧光蛋白基因（RFP）。随着胚胎细胞的红色光晕逐渐消失，DNA的“伤口”处则出现了数千个“疤痕”。

Junker博士说道：“CRISPR通常会在一个精准位点进行切割，但是细胞在下一次细胞分裂前只有不足15分钟进行修复。修补必须快速进行，因此染色体片段都是黏附在一起的，这也是错误发生的地方。DNA上的疤痕长短不一，而且它们的精确位置也是各不相同。”而子细胞在细胞分裂过程中会遗传这些“基因疤痕”，研究人员则可以此识别那些来源于共同祖先的细胞。

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