胚胎發育之謎

《科學》雜志2018年度突破獎授予了一項全新的技術，將有助于揭開胚胎發育之謎。

生物學發展到現在，凡是能夠被大規模復制的東西都已經研究得差不多了，比如新陳代謝、遺傳信息傳遞和蛋白質合成等都是如此。這些事件雖然發生在細胞里，但科學家們可以復制出一大批相同的細胞，讓它們做同樣的事情，這就相當于把細胞尺度的事件放大到了肉眼可見的水平，研究起來就容易多了。

這套方法在研究胚胎發育時遇到了困難。眾所周知，所有動物都是由一個小小的受精卵發育而成的，當這個受精卵通過細胞分裂一分為二時，生成的兩個子細胞內部發生了極其微小的差異，導致它們分別走上了不同的道路。這樣的事情一而再再而三地發生，這才分化出不同的組織和器官，最終組合成一個全新的生命。換句話說，動物胚胎中的每一個細胞都是不同的，很難通過大規模復制的辦法來研究發育的過程，所以這個領域至今進展緩慢，被公認為是自然界最難解的謎題之一。

一提到細胞的不同功能，很多人都會首先想到DNA。如果把細胞看成是一個車間的話，那么DNA就相當于一本很厚的工作手冊，指導細胞做不同的事情。問題在于，同一個胚胎里的所有細胞都來自同一個受精卵，其DNA順序都是一樣的，這些細胞之所以走上不同的道路，不是因為DNA本身有所不同，而是DNA的解讀方式出現了差異。控制DNA解讀方式的是一種名叫轉錄因子的蛋白質，它們就像是一個個書簽，插在DNA這本厚書的不同位置上。胚胎細胞之所以各不相同，是因為每個細胞里的DNA書簽位置不同。這就好比不同的生產車間完全可以使用同一本工作手冊，只要每個車間翻到的頁碼不同就可以了。

轉錄因子本身不太好研究，但它起作用的時候會產生出相應的核糖核酸（RNA）指導細胞合成出不同的蛋白質，從而行使不同的功能。RNA的研究手段要比蛋白質豐富得多，因此一直有人試圖通過研究不同細胞里的RNA來解開胚胎發育之謎。

這個思路吸引了很多科學家的關注，大家合力攻關，終于在2018年有了突破性進展。先是有人開發出了一種技術，能夠把胚胎中的每一個細胞都原封不動地分離出來。之后又有人發明了單細胞RNA測序技術（Single–cell RNA–seq），可以大規模地對單個細胞內的RNA進行測序分析。有家研究所運用這兩項技術，一次性地得到了8000個果蠅胚胎細胞的RNA序列，另一家研究所則同時測量了5萬個線蟲胚胎細胞的RNA序列！

光有RNA序列還不夠，因為這項技術需要把胚胎中的細胞分離出來，這就沒法研究細胞之間的三維關系了。這種關系非常重要，它決定了每一個胚胎細胞的未來命運，因此又有人開發出了一項新技術，把基因編輯（CRISPR）和熒光標記結合起來，能夠準確地追蹤每一個胚胎細胞的來龍去脈。如果把上述這三項技術結合起來，就可以分別對動物胚胎中的每一個細胞進行精確的定量分析了。要想弄清楚胚胎發育的細節，這是唯一的辦法。

這套技術不但可以用于研究胚胎發育，還可以用于研究任何復雜的細胞分化過程，有很大的擴展空間。比如，已經有人運用這套方法研究那些具備很強再生能力的動物，比如蠑螈的肢體再生過程。不用說，這類研究對于人體器官再生領域具有重要的指導意義。

還有人野心更大，試圖用這項技術研究人體內所有的細胞類型。成年人的體細胞數量巨大，不太可能追蹤每一個細胞的來龍去脈。但成年人的體細胞已經停止分化了，因此可以將其分成有限的類別，只要把每一類細胞研究透了就可以了。事實上，一項名為“人類細胞圖譜”（Human Cell Atlas）的研究項目已經運行了兩年，其中一個研究小組已經把腎臟內的所有細胞類型都鑒別了出來，其中就包括一些最容易發生癌變的細胞類型。一批歐洲科學家正在運用上述技術追蹤癌細胞的生成過程，希望能揭示出癌變的全部機理。

正是因為這項技術具有如此大的潛力，著名的《科學》雜志將2018年度的“科學突破獎”（Breakthrough of the Year）頒給了它。