新方法解开数世纪的动物奥秘

大多数动物胚胎含有三层细胞，可转化为身体的每一部分，从大脑到骨骼到内脏。自十九世纪以来，生物学家们一直困扰着一个问题：这些细胞层哪一层首次出现在动物进化中。现在，由于以色列技术学院开发的强大技术，这个问题已经有了答案，而且，破解进化的秘密还可以帮助我们了解癌症。相关研究结果发表在12月10日的《自然》（Nature）杂志。

　　

生物通报道：大多数动物胚胎含有三层细胞，可转化为身体的每一部分，从大脑到骨骼到内脏。自十九世纪以来，生物学家们一直困扰着一个问题：这些细胞层哪一层首次出现在动物进化中。现在，由于以色列技术学院开发的强大技术，这个问题已经有了答案，而且，破解进化的秘密还可以帮助我们了解癌症。

使用一种称为CEL-Seq的方法——这种方法可以同时监视一个细胞内每个基因的活性，以色列技术学院副教授Itai Yanai及其同事现在提供了令人信服的证据表明，称为内胚层的细胞层首先进化，随后是外胚层，最后是中胚层。

Yanai为CEL-Seq制定了另外一个大计划。他说：“我们应用这种令人难以置信的强大工具，来解决胚层进化这个十九世纪的问题，同时它对尖端癌症研究这样的事物也非常有用。”

Yanai及其同事利用CEL-Seq表明，在秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）胚胎的内胚层开启的基因，在发育过程中首先打开，随后是外胚层中开启的基因，最后是中胚层。他们还发现，内胚层基因比外胚层和中胚层中发现的大多数基因更老。

相关研究结果发表在12月10日的《自然》（Nature）杂志，研究人员认为，内胚层可追溯到远古的单细胞生物，它们聚集在一起，形成第一个多细胞动物。在新的动物中内胚层细胞保持其祖先的进食功能，把其他细胞留出来以进化成动物的新胚层。

了解以往演化如何改变细胞，也可以向我们展现“在细胞中，什么是很容易改变的，什么是不可改变的”。Yanai补充说：“例如，如果一个细胞进入病变状态，我们就可以知道更多关于‘我们该如何逆转这一状态，以及在细胞中什么可能是更难重编程的？’的信息”

2012年，Yanai实验室发明了CEL-Seq技术。Yanai称，你可以这样想象这种方法的强大力量，即，把一个单一人类细胞及其所包含的20,000个基因，看作是一个房间，里面有20,000个灯光开关。

他解释说：“每个房间都可以有不同的气氛，因为我们可以以许多不同的方式打开或关闭这些开关。这就是为什么相同的基因可以有很多很多不同的行为。用这种方法，我们可以选取一个给定的细胞，并知道每个开关的位置——它是打开还是关闭，并由此推断正在进行什么功能。”

Yanai目前是哈佛大学Radcliffe高级研究所成员，他正在斑马鱼中使用这种方法研究肿瘤的发展。他说：“在过去的十年里，我一直都从事发育和进化研究，所有这些都能通过基因表达的眼睛来看到。我已经认识到，癌症实际上这项工作的一个自然延伸，因为在这里你也有发育和进化的细胞。”

Yanai的研究小组没有停止将CEL-Seq用于生物学其他问题。他们正在进行的一项研究，使用这种方法来研究十种完全不同物种的所有基因，并比较它们在胚胎发育期间是如何被调控的。Yanai说：“我们想看看是什么使动物发育成动物，在它们之间有什么是通用的。”

（生物通：王英）

延伸阅读：科学家重建胚胎发育的早期阶段

生物通推荐原文摘要：
Spatiotemporal transcriptomics reveals the evolutionary history of the endoderm germ layer
Abstract: The concept of germ layers has been one of the foremost organizing principles in developmental biology, classification, systematics and evolution for 150 years. Of the three germ layers, the mesoderm is found in bilaterian animals but is absent in species in the phyla Cnidaria and Ctenophora, which has been taken as evidence that the mesoderm was the final germ layer to evolve. The origin of the ectoderm and endoderm germ layers, however, remains unclear, with models supporting the antecedence of each as well as a simultaneous origin. Here we determine the temporal and spatial components of gene expression spanning embryonic development for all Caenorhabditis elegans genes and use it to determine the evolutionary ages of the germ layers. The gene expression program of the mesoderm is induced after those of the ectoderm and endoderm, thus making it the last germ layer both to evolve and to develop. Strikingly, the C. elegans endoderm and ectoderm expression programs do not co-induce; rather the endoderm activates earlier, and this is also observed in the expression of endoderm orthologues during the embryology of the frog Xenopus tropicalis, the sea anemone Nematostella vectensis and the sponge Amphimedon queenslandica. Querying the phylogenetic ages of specifically expressed genes reveals that the endoderm comprises older genes. Taken together, we propose that the endoderm program dates back to the origin of multicellularity, whereas the ectoderm originated as a secondary germ layer freed from ancestral feeding functions.