生命發育往往並非一帆風順。很多胚胎在不同發育階段都會出現各個種類、不同程度的細胞行為異常，但這並不會影響胚胎的最終存活。其背後原因是什麼呢？利用單細胞高精度實時追蹤技術對秀麗線蟲胚胎細胞進行追蹤研究，中科院遺傳與發育生物學研究所研究員杜茁團隊發現，胚胎髮育具有的糾錯潛能，可賦予生物學過程穩固性。
北京時間2022年7月25日晚23時，相關論文在線發表於《細胞系統》雜誌。
“這項研究引人矚目，利用活體成像分析了超過百萬個線蟲胚胎細胞在750個基因敲降條件下的細胞表型，凸顯了發育系統的高度穩固性。一些研究結果具有高度原創性。”一位審稿人如是評價。
“敲敲敲”中轉變思路
一開始，杜茁和團隊並不是奔着胚胎髮育如何糾錯去研究的，他們只是想系統地了解線蟲一部分基因的表型（個體形態、功能等表現）。
上世紀七八十年代，科學家揭示了線蟲這個多細胞動物整個發育過程的細胞圖譜，使其逐漸成為高精度解析發育動態調控的先導模式動物。但參與調控發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表型。“在生物學研究中，敲除是讓目標基因完全不存在，涉及構建突變體周期比較長；敲降則是目標基因仍然存在，但表達量減少，通過RNA干擾技術研究效率比較高，並且在線蟲尤有效，被廣泛採用。”論文通訊作者杜茁向《中國科學報》解釋。
敲降數百個基因的功能對於研究團隊來說，並非難事。杜茁表示，其難點在於如何細緻、精確地了解胚胎髮育過程中一個基因的表型。發育是個連續、動態的過程，連續觀測以及高時空分辨率地進行表型分析是件耗時費力的活。
特別是，表型的細微變化是肉眼無法觀察到的複雜過程。研究團隊每做一次敲降就要做一次成像，敲除數百個基因需要上千次成像和分析，而且需要覆蓋到各種細胞，以此獲得表型組數據。
“這也是以往相關研究很難推進的原因，因為沒有相應的數據去判斷表型變化過於主觀。”杜茁說。
為此，研究團隊建立了一套高精度細胞追蹤方法，利用蛋白熒光標記和四維實時活體成像技術，對線蟲胚胎在細胞層面的發育進行原位、實時、連續且大規模地跟蹤。通過與未敲除基因的線蟲進行比較，他們希望了解發育過程中的某個階段，基因敲降是否會發生表型變化，以及發生了怎樣的變化。
他們用三年多的時間不斷採集、分析數據，不斷發現一些基因敲降后的表型“時有時無”——不同時間節點一開始出現的表型（即細胞異常）後來卻消失了。例如在線蟲胚胎某一發育階段，特定細胞的定位出現顯著偏差，但其分裂后的子代細胞定位卻恢復了正常。同時，線蟲基因表達具有極強的時間特異性，當細胞分裂時間發生延遲，理論上可導致基因表達的相對提早。然而很多情況下這並未發生。
“早期的胚胎髮育錯誤，為什麼晚期不存在了？”這讓杜茁和團隊意識到，胚胎髮育可能具有主動糾錯功能。
隨着相關數據不斷積累，做完約750個基因敲降后，研究團隊走上了另一個思路：系統研究胚胎髮育是否會糾錯以及如何糾錯。
胚胎髮育細胞分裂圖，從中心到外緣逐漸發育成熟。課題組供圖
從“險象環生”到“化險為夷”
“所謂穩固性，即生物體在一定的遺傳和環境擾動條件下具有維持其狀態相對正常的能力，這對應對遺傳突變和適應環境改變具有重要意義。”論文第一作者、杜茁團隊博士后肖龍解釋說。
既往研究表明，很多分子機制都可賦予生物學過程穩固性，如基因表達隨機性、基因功能劑量補償、反饋調控等。但多細胞生物的發育等複雜過程受到多層次調控，在細胞、組織、器官及個體水平等層面的穩固性的表現形式和調控方式仍有待系統研究。
為探究單個基因功能的擾動在多大程度上可誘發細胞的發育行為異常，研究團隊量化了胚胎髮育在約750個基因功能部分失活條件下的單細胞分辨率時空發育表型組。結果發現胚胎髮育過程可謂“險象環生”：超過半數基因其功能的部分缺失可導致顯著的細胞行為異常。
據介紹，線蟲有約20000個基因，胚胎髮育產生了千餘個細胞，此次研究涉及到線蟲胚胎的一半細胞。作者表示，由於此次RNA干擾僅實現有限的敲降，且研究並未覆蓋全部細胞的全部表型，表明單個保守基因功能的喪失可時常誘發特定細胞的發育異常。
研究發現，相關發育異常存在於細胞周期長度、分裂異步性、不對稱分裂、神經分化報告基因表達狀態、細胞分裂角度及空間定位等方面。“這說明分子調控網絡雖然整體穩固，但卻可時常在特定細胞被‘攻破’，出現異常，並潛在威脅胚胎髮育。”肖龍說，這一發現還說明分子調控網絡的功能性和穩固性存在相互制衡，難以兩全，不同的細胞有着不同的抉擇。
“出人意料的是，這項研究發現很多孵化的胚胎攜帶了大量細胞層面的表型異常。”一位審稿人說。他同時表示，這項研究的亮點是針對穩固性調控的新機制開展了分析，發現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”。
那麼，胚胎髮育中的表型異常如何“化險為夷”呢？研究發現，它可以通過多種方式糾正與緩和。作者主要研究了其中三種方式。
首先，發育是一個不斷傳承和發展的動態過程，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，一定比例的當代細胞的行為異常可在其子代細胞中被緩解或消除。
其次，一種細胞行為異常所帶來的潛在影響通過改變另一行為而緩解。如當細胞分裂時間發生延遲時，基因表達的時間可保持與延遲的細胞分裂協調，在一定程度上消除有害隱患。
此外，研究定義了在發育起源和功能上相關的細胞集群，發現多細胞性和細胞社會性有助於緩解細胞行為的異常。例如，即便部分細胞的空間定位發生了嚴重異常，細胞集群會通過“內部調整”使細胞排布傾向於整體正常，保持細胞狀態相對穩定。
“這些發現每個都十分有趣和有意義。”上述審稿人說，特別是細胞位置雖然發生整體變化，但在功能相關的細胞內部卻相對“正常”，提示功能相關的細胞具有保護細胞位置相對正常的機制。
生命不息，變化不止。圖為線蟲胚胎早期細胞幾次分裂過程。課題組供圖
化“隨機應變”為“主動出擊”
發現胚胎具有糾錯機制有何意義呢？肖龍表示，雖然線蟲發育過程中細胞的行為和命運長期被認為高度固化和恆定，這項研究則表明即便是採用“固定”發育程序的線蟲胚胎細胞仍然具有較高的可塑性，並可用於應對發育異常。
“像杜茁實驗室既往工作一樣，這樣高質量的創新研究數據為線蟲胚胎髮育研究，乃至更為廣泛的發育穩固性研究提供了有價值的信息。”另一位審稿人說。
杜茁希望，通過研究胚胎髮育如何“隨機應變”應對錶型錯誤，能夠對疾病複雜性的認知產生幫助，未來助力對一些疾病治療的“主動出擊”。例如，攜帶同一致病突變的人群中往往有些個體並未表現出疾病表型，是否是這些個體中細胞層次的補償機制參與致病效應的糾正，從而表現出表型不完全外顯現象？對這些可能性進行探究也許有助於一些疾病的治療。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調機制實現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。當前的研究僅初步揭示了多種形式的應對細胞發育行為異常的可能策略，拓展了關於發育穩固性多層次調控的認知。細胞如何感知行為異常？如何誘發不同類別的補償行為？分子和細胞如何參與其中？這些問題仍有待進一步探索。
杜茁研究組博士后肖龍為論文第一作者，范渡長江、齊歡和叢俞林對研究有重要貢獻，杜茁研究員為通訊作者。該研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金及中國博士后科學基金的資助。
相關論文信息：
DOI: 10.1016/j.cels.2022.07.001