胚胎是如何形成我們肺臟、肌肉、神經和其他組織中的細胞的？一種新的方法可以解碼使得胚胎萬能細胞能夠增殖并轉變為機體許多特化細胞類型的遺傳指令。

一開始是一團相同的細胞，隨著增殖不斷地改變形狀和功能，最終變為我們肺臟、肌肉、神經和機體所有其他特化組織中的細胞。胚胎擁有這種創造奇跡的能力。

現在，在一項逆向組織工程壯舉中，斯坦福大學的研究人員開始解開使得胚胎細胞能夠增殖及轉變為執行不同生物職能的所有特化細胞的復雜遺傳密碼。

這一跨學科研究小組選擇在小鼠發育周期的不同時間點，獲得了來自小鼠胚胎的肺細胞。利用新型單細胞基因組分析新技術，他們記錄了在每一個時間點活化的基因。盡管他們研究的是肺細胞，他們的技術適用于所有的細胞類型。

該研究小組的負責人、斯坦福大學工程學院Stephen Quake教授說：“這為如何做好逆向組織工程設計出了一個藍本。”

在發布于《自然》（Nature）雜志上的研究論文中，他與共同作者、斯坦福大學醫學院生物化學教授Mark Krasnow、以及肺與危重癥醫學助理教授Tushar Desai一起詳細描述了這些實驗。

他們利用這種逆向工程方法研究了肺泡細胞。肺泡是血管接收氧氣以及帶走二氧化碳的一個“轉接站”。

Quake實驗室博士后學者Barbara Treutlein，與Krasnow實驗室博士后研究人員Doug Brownfield一起，從三個妊娠階段：14.5天、16.5天和18.5天（小鼠平均出生于第20天）的小鼠胚胎處取得198個肺細胞。他們也從成年小鼠處取得了一些肺細胞。

利用標準酶技術，他們溶解了讓肺細胞結合在一起形成組織的蛋白質，隨后分選出了作為他們研究焦點的特異肺泡細胞類型。他們接下來的步驟涉及了作為他們逆向工程過程核心的一些新技術。

回想一下點眼藥器是如何起作用的。擠壓橡膠球排出空氣；將它置于溶液中使其裝滿溶液；再次擠壓橡膠球擠出液體。近年來，生物級數學家們利用這些基本原理開發出了微流體裝置，它們能夠精確地從溶液中吸取單個細胞，將其分離到腔室中研究它的遺傳物質。

Quake實驗室曾率先使用微流體芯片來研究單細胞。在這項研究中，他們利用微流體裝置捕獲了198個樣本肺細胞。隨后他們利用單細胞基因組測序檢測了每個時間點每個細胞中的活化基因。

他們是如何破譯單細胞中的基因組活性的呢？每個細胞核中的DNA都包含生物體的整個基因組。這就是為什么單個細胞可能構建出一個生物體的原因。但是在特定的時間點特定的細胞中只有一部分的基因處于活性狀態。這也是肺細胞為什么不同于毛發細胞的原因；每個細胞都用一組不同的活化基因來操控它的功能。

基因通過生成mRNA來操控細胞活動。每個mRNA向細胞下達指令生成一種特殊蛋白。細胞實質上就是一組相互作用的蛋白質。因此知道活化的mRNAs為了解細胞在微流體設備中被捕獲時的功能提供了一個透鏡。

利用這一過程，斯坦福大學的研究人員首次精確地揭示出了這些特殊的肺細胞向著成熟肺泡發育每一階段的調控基因。

研究人員獲得了有關肺泡尖端兩種重要細胞類型發育的重要研究發現。I型肺泡細胞是人體最扁平的細胞。位于I型肺泡細胞旁邊的血細胞負責傳送氧氣或獲取二氧化碳。這些細胞的厚薄對于推動這種氣體交換至關重要。

II型肺泡細胞較小，呈立方形。它們分泌一些蛋白質阻止肺泡萎縮，從而維持氧氣和二氧化碳通過的內部空間。

利用單細胞基因組學，研究人員可以逆向操控發育過程，揭示出了單個的前體細胞類型是如何生成這兩種不同的成熟肺泡細胞的。

研究人員還捕獲到了從前體細胞向成熟細胞狀態過渡的細胞，獲得了一些有關肺泡細胞分化機制的重要認識。

盡管該研究將焦點放在肺細胞上，這一在胚胎發育不同階段捕獲單細胞，通過mRNA測序測定基因活性的技術適用于逆向操控其他的組織。

除研究胚胎發育，這一技術還可用于臨床環境中。例如，研究人員可以研究腫瘤單個細胞之間的差異，增進我們對于癌癥各個階段的了解，促成更好的、更具靶向性的治療方法。

Desai說：“這一技術是我們認識特定細胞群，包括具有特異功能的少見細胞群中整體細胞類型多樣性能力的一個量子飛躍。獲得每個細胞類型的全面分子特征，包括它們發送和接受的信號，將能夠顯現出單個細胞之間的通訊快照，有可能為疾病提供一些有吸引力的治療靶點。”