胚胎发育之谜

《科学》杂志2018年度突破奖授予了一项全新的技术，将有助于揭开胚胎发育之谜。

生物学发展到现在，凡是能够被大规模复制的东西都已经研究得差不多了，比如新陈代谢、遗传信息传递和蛋白质合成等都是如此。这些事件虽然发生在细胞里，但科学家们可以复制出一大批相同的细胞，让它们做同样的事情，这就相当于把细胞尺度的事件放大到了肉眼可见的水平，研究起来就容易多了。

这套方法在研究胚胎发育时遇到了困难。众所周知，所有动物都是由一个小小的受精卵发育而成的，当这个受精卵通过细胞分裂一分为二时，生成的两个子细胞内部发生了极其微小的差异，导致它们分别走上了不同的道路。这样的事情一而再再而三地发生，这才分化出不同的组织和器官，最终组合成一个全新的生命。换句话说，动物胚胎中的每一个细胞都是不同的，很难通过大规模复制的办法来研究发育的过程，所以这个领域至今进展缓慢，被公认为是自然界最难解的谜题之一。

一提到细胞的不同功能，很多人都会首先想到DNA。如果把细胞看成是一个车间的话，那么DNA就相当于一本很厚的工作手册，指导细胞做不同的事情。问题在于，同一个胚胎里的所有细胞都来自同一个受精卵，其DNA顺序都是一样的，这些细胞之所以走上不同的道路，不是因为DNA本身有所不同，而是DNA的解读方式出现了差异。控制DNA解读方式的是一种名叫转录因子的蛋白质，它们就像是一个个书签，插在DNA这本厚书的不同位置上。胚胎细胞之所以各不相同，是因为每个细胞里的DNA书签位置不同。这就好比不同的生产车间完全可以使用同一本工作手册，只要每个车间翻到的页码不同就可以了。

转录因子本身不太好研究，但它起作用的时候会产生出相应的核糖核酸（RNA）指导细胞合成出不同的蛋白质，从而行使不同的功能。RNA的研究手段要比蛋白质丰富得多，因此一直有人试图通过研究不同细胞里的RNA来解开胚胎发育之谜。

这个思路吸引了很多科学家的关注，大家合力攻关，终于在2018年有了突破性进展。先是有人开发出了一种技术，能够把胚胎中的每一个细胞都原封不动地分离出来。之后又有人发明了单细胞RNA测序技术（Single–cell RNA–seq），可以大规模地对单个细胞内的RNA进行测序分析。有家研究所运用这两项技术，一次性地得到了8000个果蝇胚胎细胞的RNA序列，另一家研究所则同时测量了5万个线虫胚胎细胞的RNA序列！

光有RNA序列还不够，因为这项技术需要把胚胎中的细胞分离出来，这就没法研究细胞之间的三维关系了。这种关系非常重要，它决定了每一个胚胎细胞的未来命运，因此又有人开发出了一项新技术，把基因编辑（CRISPR）和荧光标记结合起来，能够准确地追踪每一个胚胎细胞的来龙去脉。如果把上述这三项技术结合起来，就可以分别对动物胚胎中的每一个细胞进行精确的定量分析了。要想弄清楚胚胎发育的细节，这是唯一的办法。

这套技术不但可以用于研究胚胎发育，还可以用于研究任何复杂的细胞分化过程，有很大的扩展空间。比如，已经有人运用这套方法研究那些具备很强再生能力的动物，比如蝾螈的肢体再生过程。不用说，这类研究对于人体器官再生领域具有重要的指导意义。

还有人野心更大，试图用这项技术研究人体内所有的细胞类型。成年人的体细胞数量巨大，不太可能追踪每一个细胞的来龙去脉。但成年人的体细胞已经停止分化了，因此可以将其分成有限的类别，只要把每一类细胞研究透了就可以了。事实上，一项名为“人类细胞图谱”（Human Cell Atlas）的研究项目已经运行了两年，其中一个研究小组已经把肾脏内的所有细胞类型都鉴别了出来，其中就包括一些最容易发生癌变的细胞类型。一批欧洲科学家正在运用上述技术追踪癌细胞的生成过程，希望能揭示出癌变的全部机理。

正是因为这项技术具有如此大的潜力，著名的《科学》杂志将2018年度的“科学突破奖”（Breakthrough of the Year）颁给了它。