Cell为一个长期存在的难题提供了新见解：基因如何在早期胚胎发育中起作用

加州大学圣地亚哥分校的生物学家为生物学中一个长期存在的难题提供了新的见解:复杂的生物体是如何从单个受精卵细胞中产生的。研究人员利用4d成像技术制作了一个新的“基因图谱”，对胚胎发育过程进行了前所未有的研究。

　　

尽管人类基因组计划早在20多年前就宣布完成了2万个人类基因的测序，但科学家们仍在努力了解完全形成的人类是如何从基本的遗传指令中产生的。

研究疾病如何在发育的早期阶段形成的生物医学努力，将受益于具体了解复杂生物体是如何从单个受精卵细胞中产生的。加州大学圣地亚哥分校的研究人员通过一个简单的模式生物的镜头，对胚胎发育如何展开有了新的认识。

由生物科学学院科学家Rebecca Green和Karen Oegema教授领导的综合报告详细介绍了秀丽隐杆线虫(C. elegans)的胚胎发育过程中基因的功能。秀丽隐杆线虫是一种一毫米长的蛔虫，生物学家称之为“C. elegans”。尽管秀丽隐杆线虫体积很小，但它一直是科学家们的研究对象，因为它的很多生物学特征，包括早期发育阶段，都与包括人类在内的高等生物相似。

这项研究成果发表在《细胞》杂志上，它将一个多学科合作团队十年的工作成果转化为“基因图谱”。

“通过在一个简单的模式生物中描述这些鲜为人知的基因，我们可以了解它们在像人类这样更复杂的系统中的作用，虽然这项工作是用秀丽隐杆线虫完成的，但分析的大多数基因都存在于人类中，其中许多基因的突变与人类发育障碍有关。”生物信息学科学家和该论文的第一作者Green说。

研究人员开发了一种自动化系统，用于分析胚胎发生所需的基因功能。胚胎发生是一个受精卵从一个单细胞开始发育成一个具有不同组织(如皮肤、消化道、神经元和肌肉)的生物体的过程。他们使用延时4-D成像技术系统地跟踪了每个基因在整个胚胎阶段的功能，包括细胞身份确定和有机体组织形成的时间。研究人员使用一种被称为“计算机视觉”的方法来监测这一过程，以跟踪发育的特定方面，包括每个组织中的细胞数量。他们还追踪了发育中的生物体内组织的质量、位置和形状。

为了充分了解在胚胎发育中起重要作用的近500个基因的功能，他们一次一个地阻断了每个基因的功能。这使得研究人员可以将基因分组成共同的簇，通过“guilt by association”揭示每个基因的作用。格林将这一过程比作自动面部识别，将具有相似特征的图像分组在一起。通过使用这种细致的过程来分析近7000部4-D胚胎发生电影，研究小组能够为单个基因创造“指纹”，比如细胞变成肌肉或皮肤所需的那些基因。这有助于他们了解基因在胚胎发生中所起的生理作用，比如控制肠道或神经系统等组织的形成。

“我们证明，我们的方法正确地分类了先前被描述的基因的功能，识别了未被描述的基因的功能，并描述了新的基因和途径关系，许多我们认为具有平凡功能的基因被发现具有被低估的重要作用。”Oegema说。

与《细胞》杂志的论文相结合，来自这项研究的大量数据导致了一个新的在线资源的推出，该资源包含了所有的信息。PhenoBank现在提供了一个在研究期间开发的遗传图谱的门户。

该论文的合著者Arshad Desai教授说:“这种方法对胚胎发生过程中代谢途径的特化产生了令人惊讶的见解，并揭示了参与基因调控的不同分子机器之间有趣的新联系。”

除了《细胞》研究涵盖的500个基因外，研究人员现在正在努力完成与胚胎发生有关的线虫的2000个基因的完整集合。

他说:“广泛的兴趣在于解决生物学中最具挑战性的问题的方法:一个包含大约20,000个基因(与人类基因的数量相似)的基因组的单个细胞如何能够构建一个完整的生物体。”