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

“這項(xiàng)研究引人矚目，利用活體成像分析了超過(guò)百萬(wàn)個(gè)線蟲(chóng)胚胎細(xì)胞在750個(gè)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(píng)價(jià)。

“敲敲敲”中轉(zhuǎn)變思路

(相關(guān)資料圖)

一開(kāi)始，杜茁和團(tuán)隊(duì)并不是奔著胚胎發(fā)育如何糾錯(cuò)去研究的，他們只是想系統(tǒng)地了解線蟲(chóng)一部分基因的表型（個(gè)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(chóng)這個(gè)多細(xì)胞動(dòng)物整個(gè)發(fā)育過(guò)程的細(xì)胞圖譜，使其逐漸成為高精度解析發(fā)育動(dòng)態(tài)調(diào)控的先導(dǎo)模式動(dòng)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(duì)計(jì)劃用基因敲降來(lái)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(zhǎng)；敲降則是目標(biāo)基因仍然存在，但表達(dá)量減少，通過(guò)RNA干擾技術(shù)研究效率比較高，并且在線蟲(chóng)尤有效，被廣泛采用。”論文通訊作者杜茁向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋。

敲降數(shù)百個(gè)基因的功能對(duì)于研究團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，并非難事。杜茁表示，其難點(diǎn)在于如何細(xì)致、精確地了解胚胎發(fā)育過(guò)程中一個(gè)基因的表型。發(fā)育是個(gè)連續(xù)、動(dòng)態(tài)的過(guò)程，連續(xù)觀測(cè)以及高時(shí)空分辨率地進(jìn)行表型分析是件耗時(shí)費(fèi)力的活。

特別是，表型的細(xì)微變化是肉眼無(wú)法觀察到的復(fù)雜過(guò)程。研究團(tuán)隊(duì)每做一次敲降就要做一次成像，敲除數(shù)百個(gè)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?yàn)闆](méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)去判斷表型變化過(guò)于主觀。”杜茁說(shuō)。

為此，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)時(shí)活體成像技術(shù)，對(duì)線蟲(chóng)胚胎在細(xì)胞層面的發(fā)育進(jìn)行原位、實(shí)時(shí)、連續(xù)且大規(guī)模地跟蹤。通過(guò)與未敲除基因的線蟲(chóng)進(jìn)行比較，他們希望了解發(fā)育過(guò)程中的某個(gè)階段，基因敲降是否會(huì)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(shí)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(shí)有時(shí)無(wú)”——不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)一開(kāi)始出現(xiàn)的表型（即細(xì)胞異常）后來(lái)卻消失了。例如在線蟲(chóng)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(shí)，線蟲(chóng)基因表達(dá)具有極強(qiáng)的時(shí)間特異性，當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)間發(fā)生延遲，理論上可導(dǎo)致基因表達(dá)的相對(duì)提早。然而很多情況下這并未發(fā)生。

“早期的胚胎發(fā)育錯(cuò)誤，為什么晚期不存在了？”這讓杜茁和團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，胚胎發(fā)育可能具有主動(dòng)糾錯(cuò)功能。

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

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(xiǎn)象環(huán)生”到“化險(xiǎn)為夷”

“所謂穩(wěn)固性，即生物體在一定的遺傳和環(huán)境擾動(dòng)條件下具有維持其狀態(tài)相對(duì)正常的能力，這對(duì)應(yīng)對(duì)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(duì)博士后肖龍解釋說(shuō)。

既往研究表明，很多分子機(jī)制都可賦予生物學(xué)過(guò)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(guò)程受到多層次調(diào)控，在細(xì)胞、組織、器官及個(gè)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(gè)基因功能的擾動(dòng)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(duì)量化了胚胎發(fā)育在約750個(gè)基因功能部分失活條件下的單細(xì)胞分辨率時(shí)空發(fā)育表型組。結(jié)果發(fā)現(xiàn)胚胎發(fā)育過(guò)程可謂“險(xiǎn)象環(huán)生”：超過(guò)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(chóng)有約20000個(gè)基因，胚胎發(fā)育產(chǎn)生了千余個(gè)細(xì)胞，此次研究涉及到線蟲(chóng)胚胎的一半細(xì)胞。作者表示，由于此次RNA干擾僅實(shí)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(gè)保守基因功能的喪失可時(shí)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(zhǎng)度、分裂異步性、不對(duì)稱(chēng)分裂、神經(jīng)分化報(bào)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(shuō)明分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)雖然整體穩(wěn)固，但卻可時(shí)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(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)還說(shuō)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(xiàng)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(shuō)。他同時(shí)表示，這項(xiàng)研究的亮點(diǎn)是針對(duì)穩(wěn)固性調(diào)控的新機(jī)制開(kāi)展了分析，發(fā)現(xiàn)早期細(xì)胞的多種異常往往能通過(guò)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(xiǎn)為夷”呢？研究發(fā)現(xiàn)，它可以通過(guò)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(gè)不斷傳承和發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程，一時(shí)錯(cuò)不代表永遠(yuǎn)錯(cuò)。如細(xì)胞分裂時(shí)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)胞的行為異常可在其子代細(xì)胞中被緩解或消除。

其次，一種細(xì)胞行為異常所帶來(lái)的潛在影響通過(guò)改變另一行為而緩解。如當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)間發(fā)生延遲時(shí)，基因表達(dá)的時(shí)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(huì)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(huì)通過(guò)“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(duì)穩(wěn)定。

“這些發(fā)現(xiàn)每個(gè)都十分有趣和有意義。”上述審稿人說(shuō)，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(duì)“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(duì)正常的機(jī)制。

生命不息，變化不止。圖為線蟲(chóng)胚胎早期細(xì)胞幾次分裂過(guò)程。課題組供圖

化“隨機(jī)應(yīng)變”為“主動(dòng)出擊”

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

“像杜茁實(shí)驗(yàn)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(chóng)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(jià)值的信息。”另一位審稿人說(shuō)。

杜茁希望，通過(guò)研究胚胎發(fā)育如何“隨機(jī)應(yīng)變”應(yīng)對(duì)表型錯(cuò)誤，能夠?qū)膊?fù)雜性的認(rèn)知產(chǎn)生幫助，未來(lái)助力對(duì)一些疾病治療的“主動(dòng)出擊”。例如，攜帶同一致病突變的人群中往往有些個(gè)體并未表現(xiàn)出疾病表型，是否是這些個(gè)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(duì)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(guò)強(qiáng)化這種協(xié)調(diào)機(jī)制實(shí)現(xiàn)一些疾病表型的緩解？

不過(guò)，他坦言，目前距離這一步仍然較遠(yuǎn)。當(dāng)前的研究?jī)H初步揭示了多種形式的應(yīng)對(duì)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(lèi)別的補(bǔ)償行為？分子和細(xì)胞如何參與其中？這些問(wèn)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(zhǎng)江、齊歡和叢俞林對(duì)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及中國(guó)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