科學家已製作出描繪單顆細胞如何發展成複雜生命的基因路徑圖。

你的生命是許許多多選擇的結果。學業、工作、人際關係;你做出的每個決定,都能製作出一張可追溯的地圖,顯示你從過去到現在所走過的路徑。

細胞在變形(metamorphosis)過程中,也以相似的方式決定自身命運。

哈佛醫學院(Harvard Medical School)系統生物學副教授尚恩.梅蓋森(Sean Megason)解釋說:「在發展期間製造不同類型的細胞就如同兒童成長的過程。一名5歲的兒童有潛力做任何事。」同樣地,地球上幾乎所有生物都從胚胎幹細胞開始生長,然後再分裂、發育成一個複雜個體的各種特化部位。

梅蓋森說:「細胞要成為神經細胞需要做一系列決定,而要成為肌肉細胞則要做出不同系列的決定。」但這些胚胎幹細胞到底如何做決定?科學家目前還沒有答案。

統一與分裂

以演化而言,多細胞生物型態較晚才出現。多細胞生物大約在6億年前首次出現在地球上,比牠們的單細胞先祖晚了至少20億年。當時單細胞生物開始複製,最後形成更複雜的生物體,不過我們尚未完全了解牠們開始複製的原因。

「幹細胞在第一天通常只是分裂而已,所以第一天結束時它們是圓球狀的細胞團。」梅蓋森說:「不過等你隔天早上回來觀察時,那團細胞已經變成一條小魚。這條小魚有眼睛、跳動的心臟,還有肌肉,而且牠能甩動尾巴。」

↑↑↑↑↑青蛙胚胎細胞的分裂影片。影片來源:Enrique Amaya

 

↑↑↑↑↑青蛙胚胎細胞的分裂影片。影片來源:Enrique Amaya

胚胎幹細胞具有極大潛力,並已經是許多研究的主題(也招致許多爭議)。這些研究的目標是希望我們有一天能讓幹細胞生長到特定狀態,例如成為腦細胞、皮膚或心臟。不過梅蓋森也說,雖然已投入數十年的研究致力於了解這些細胞如何發展,但大部分的研究卻各自為政,彼此並無緊密關聯。

在這三篇新發表於《科學》(Science)期刊的研究中,梅蓋森與其他兩個哈佛醫學院的團隊觀察斑馬魚與青蛙胚胎發育最初24小時的變化,追蹤成千上萬個單顆細胞,了解它們如何發展,成為更特化的細胞,並試圖找出這些變化的原因。

「我的目標是了解胚胎發展出各種細胞的完整路徑圖。」他解釋。「我們仍有許多工作要做,但這是全球第一個細胞發展路徑圖。」

細胞製圖學

繪製這份路徑圖並非易事。研究人員利用一種稱為單細胞定序(single-cell sequencing)的技術,讓個別細胞懸浮於油水混合物中,然後給予每個細胞「身分條碼」。這種方法重複用於數千個細胞,所以研究人員分析每個細胞的行為時,需要處理龐大資料。

「我們有時將細胞選擇命運的過程幻想成一顆滾下山谷的球,山谷中不斷出現岔路,形成越來越多山谷,而球經過這些岔路與山谷就如同細胞選擇命運。但這顆球滾動的表面並非二元維度,而是多達2萬5000個維度,每個維度代表一個基因。」

更複雜的是,細胞世界也存在「大器晚成」的案例。

梅蓋森說:「有些細胞可能在非常年輕時就上大學跟醫學院,就像影集《天才小醫生》(Doogie Howser)一樣,而其他細胞雖然選擇相同道路,卻起步更晚或發展更慢。」

該研究的結果有助於證實先前某些關於細胞行為的猜想。細胞可能會猶豫不決或困惑不解,它們在找到最終職業前,可能會處於各種不同的混合狀態。細胞發育時,甚至可能有多條路徑通往相同命運的情況。

梅蓋森希望,他們團隊的研究能為科學家提供「說明書」,顯示胚胎中基因製造不同種類細胞時採用的步驟,「這些不同種類的細胞之後能用於替代因損傷或疾病而喪失的人類細胞。」

撰文:Nick Lunn

編譯:涂瑋瑛

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