生物学家最近对一个长期以来困扰生物学的谜团有了新的理解：复杂生物是如何从一个单一的受精细胞发展而来的。通过使用四维成像创造出新的“基因图谱”，研究人员对胚胎发育的过程获得了前所未有的见解。
尽管人类基因组计划在20多年前宣布完成对2万个人类基因的测序，科学家们仍在努力理解完全发育的生物是如何从基本的遗传指令中产生的。
为了解如何在发育的最早阶段引发疾病，生物医学研究一直在进行中。加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员通过研究一种简单的模式生物对象获得了关于胚胎发育过程的新见解。这项研究由生物科学学院的科学家丽贝卡·格林和卡伦·厄杰马教授领导，重点研究基因在线虫秀丽隐杆线虫（C. elegans）胚胎发育过程中的作用，从而提供了这一过程的详细理解。尽管其体型小，但C. elegans已被生物学家广泛用作研究工具。C. elegans的生物学与人类等高级生物相似，使其成为科学家的宝贵研究模型。经过十年的努力，研究团队编制了该线虫的“基因图谱”，其研究结果发表在《细胞》期刊上。根据论文的第一作者格林的说法，在像C. elegans这样的简单生物中研究这些基因可以为它们在更复杂生物（如人类）中的功能提供宝贵的见解。尽管在C. elegans中进行了研究，但分析的大部分基因在人类中也可以找到，这使得这项研究与人类生物学相关。科学家们创建了一个新的系统来分析对胚胎发育至关重要的基因的功能——从受精卵转变为多组织生物的过程。他们使用四维成像仔细监测每个基因在胚胎发生每个阶段的功能，包括细胞身份的确定和组织的形成。这个监测是通过一种称为“计算机视觉”的技术进行的，他们发现许多这些基因与人类发育障碍有关。为了监测发育的进展，研究人员密切观察细胞在每个组织中的数量等特定特征。他们还密切监测生物体内组织的重量、位置和结构。
为了全面了解近500种在胚胎发育中发挥关键作用的基因功能，研究人员系统性地逐个禁用每个基因的功能。这种方法使他们能够将基因分类为常见组，通过它们的关联揭示每个基因的功能。这个过程类似于自动面部识别，其中具有相似特征的图像被分组在一起。通过这种严格的分析，一个研究团队使用近7000部四维胚胎发生电影创建了单个基因的独特“指纹”。这些指纹帮助他们理解基因在胚胎发生中的作用，例如控制肌肉或皮肤等组织的形成。细胞与发育生物学系的教职工厄杰马表示，他们的研究方法正确分类了基因功能，为功能不明确的基因识别出功能，并描述了新的基因和途径关系。论文的高级作者解释道：“许多以前被认为具有普通功能的基因被发现发挥着之前未完全认识的重要角色。”随着《细胞》期刊的发表，研究中收集的广泛数据导致创建了一个新的在线资源，所有信息都存储在其中。这个名为PhenoBank的资源现在提供对研究中开发的基因图谱的访问。研究中采用的方法引发了对胚胎发育过程中代谢途径专门化的意外见解，并揭示了涉及基因调控的各种分子机制之间的有趣新联系。论文的共同作者阿尔沙德·德赛教授提到，研究人员正在将研究扩大到《细胞》研究中涉及的500个基因之外。他们现在专注于完成涉及2,000个C. elegans基因的整个系列，这些基因与胚胎发生相关。
德赛强调了他们的方法在解决生物学中最具挑战性问题之一的重要性。他强调了如何从一个基因组包含大约2万个基因的单细胞发展成完整生物体的复杂性，这与人类相似。
论文的作者包括丽贝卡·格林、任纳特·哈里乌林、赵志玲、斯泰西·奥乔亚、杰弗里·亨德尔、蒂芬妮-林恩·周、洪基·穆恩、罗纳德·比格斯、阿尔沙德·德赛和卡伦·厄杰马，感谢托尼·海曼和马克斯·普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所的科学计算小组在建立PhenoBank方面的帮助。
