科学时光机 | 揭开人类发育进化的奥秘——我国科学家首次破解基因“编程语言”之谜

7年前的昨天，我国科研团队在生命科学领域取得了一项里程碑式的进展——首次解读了基因“编程语言”的奥秘，并揭示人类进化的重要新机制。2018年3月9日，由中科院北京基因组所刘江团队领衔的中国科学家首次揭示了人类胚胎的奥秘，打开了认识人类胚胎发育基因表达调控的大门。

生命科学最大的难题之一

人类的生命从受精卵开始。一颗受精卵是如何发育成含有200多种细胞类型、36个重要器官的复杂有机体的？这是生命科学最大的难题之一。

在探索脊椎动物早期胚胎发育的奥秘时，科学家们主要依赖于斑马鱼、小鼠等模式生物进行基因表达谱和表观遗传学的分析。相比之下，关于人类早期胚胎发育过程中染色质调控的动态图谱，至今仍是一个未被充分探索的领域。

随着生命科学的不断进步，科学家们已经认识到，生物体的正常发育依赖于基因在特定时间和位置按照预设程序的有序表达，这一过程被形象地比喻为基因表达的“编程”。刘江介绍：“正如计算机程序需要特定的编程语言来执行指令，人体内的基因表达也遵循着一种‘编程语言’，即染色体的开放状态。我们的最新研究揭示了这种‘编(biān)程(chéng)语(yǔ)言(yán)’如何调控人类胚胎的基因表达。”

值得注意的是，在卵子受精后的最初两天里，胚胎处于一个特殊的阶段，此时几乎没有基因表达活动。刘江进一步解释说，如何启动基因表达、哪些基因会首先表达以及后续的表达顺序，一直是该领域的研究难点。传统的研究方法需要大量的人类早期胚胎细胞，通常数量高达100万个。然而，由于人类早期胚胎资源的稀缺性和高昂成本，这一需(xū)求(qiú)成(chéng)为(wèi)了(le)制(zhì)约(yuē)相(xiāng)关研(yán)究(jiū)的(de)关键因(yīn)素(sù)。

技(jì)术(shù)突(tū)破(pò)，微(wēi)量(liàng)细(xì)胞(bāo)也(yě)能(néng)做(zuò)成(chéng)大(dà)事(shì)

刘(liú)江(jiāng)团(tuán)队(duì)为(wèi)解(jiě)决(jué)研(yán)究(jiū)难(nán)题(tí)，采取(qǔ)了(le)技(jì)术(shù)创(chuàng)新(xīn)手(shǒu)段(duàn)，优(yōu)化(huà)了(le)实(shí)验(yàn)流(liú)程(chéng)，开(kāi)创(chuàng)性(xìng)地(de)建(jiàn)立(lì)了(le)一(yī)种(zhǒng)针(zhēn)对(duì)微(wēi)量(liàng)细(xì)胞(bāo)的(de)研(yán)究(jiū)新(xīn)方(fāng)法(fǎ)。他(tā)们(men)仅(jǐn)凭(píng)50个(gè)细(xì)胞(bāo)便(biàn)达(dá)成(chéng)了(le)以(yǐ)往(wǎng)需(xū)100万(wàn)个(gè)细(xì)胞(bāo)方(fāng)能(néng)完(wán)成(chéng)的(de)实(shí)验(yàn)目(mù)标(biāo)，并(bìng)在(zài)全球(qiú)范(fàn)围(wéi)内(nèi)首(shǒu)次(cì)揭(jiē)示(shì)了(le)人(rén)类(lèi)胚(pēi)胎(tāi)基(jī)因(yīn)组(zǔ)的(de)激(jī)活(huó)机(jī)制(zhì)。

据(jù)刘(liú)江介绍，团队不仅成功定位了启动人类基因组表达的核心分子Oct4，还观察到一个有趣的现象：在进化历程中较早出现的基因会优先表达，而较晚出现的基因则倾向于延后表达。他认为，这可能是由于细胞内部预设的程序使得古老基因的调控开关得以率先开启。

关于“老基因”与“新基因”的界定，刘江进一步解释道：大约30亿年前，地球生命初现时所携带的基因，构成了所有现存物种共有的基础——这些即为最古老的基因。随着哺乳动物的出现，与胎盘生殖功能相关的基因应运而生，被视为相对较新的基因。至于人类，神经系统中的许多独特基因则是在人类进化过程中最新加入的。

为人类优生优育提供理论基础

刘江团(tuán)队(duì)还(hái)透露，这项最(zuì)新研究还揭示了人类进化(huà)中(zhōng)的(de)一(yī)个(gè)关键新机制。“DNA的(de)突(tū)变(biàn)是驱动人类进化的重要(yào)因(yīn)素(sù)之(zhī)一(yī)，其(qí)中(zhōng)，一(yī)类(lèi)被(bèi)称(chēng)为(wèi)转(zhuǎn)座(zuò)子(zi)的(de)DNA片(piàn)段(duàn)起(qǐ)着(zhe)至(zhì)关重(zhòng)要(yào)的(de)作(zuò)用(yòng)。这(zhè)些(xiē)转(zhuǎn)座(zuò)子(zi)能(néng)够(gòu)在(zài)DNA序(xù)列(liè)中(zhōng)从(cóng)一(yī)个(gè)位(wèi)置(zhì)跳(tiào)跃(yuè)到(dào)另(lìng)一(yī)个(gè)位(wèi)置(zhì)，导(dǎo)致(zhì)DNA突(tū)变(biàn)的(de)发(fā)生(shēng)。”值(zhí)得(de)注(zhù)意(yì)的(de)是(shì)，转(zhuǎn)座(zuò)子(zi)的(de)活(huó)跃(yuè)期(qī)主要(yào)集中(zhōng)在(zài)胚(pēi)胎(tāi)发(fā)育(yù)阶(jiē)段(duàn)，这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)它(tā)们(men)主要(yào)在(zài)此(cǐ)时(shí)产(chǎn)生(shēng)新(xīn)的(de)基(jī)因(yīn)组(zǔ)突(tū)变(biàn)，而(ér)这(zhè)些(xiē)突(tū)变(biàn)更(gèng)有(yǒu)可(kě)能(néng)被(bèi)传(chuán)递(dì)给(gěi)后(hòu)代(dài)。

该(gāi)研(yán)究(jiū)成(chéng)果(guǒ)由(yóu)中(zhōng)科(kē)院(yuàn)北(běi)京(jīng)基(jī)因(yīn)组(zǔ)研(yán)究(jiū)所(suǒ)的(de)刘(liú)江(jiāng)团(tuán)队(duì)，携(xié)手(shǒu)山(shān)东(dōng)大(dà)学(xué)附(fù)属(shǔ)生(shēng)殖医院的陈子江团队以及广州医科大学的刘见桥团队共同完成。这项研究在国际上首次深入解析了调控人类胚胎基因表达的“编程语言”，并成功绘制出人类早期胚胎发育过程中的染色质调控动态图谱。这一突破不仅加深了我们对人类胚胎发育基因表达调(diào)控(kòng)的(de)理(lǐ)解，还使中国在人类发育研究领域跃居国际前沿。

专家表示，尽管这项研究成果距离直接应用于优生优育领域还有一定的距离，但刘江团队在提高试管婴儿医疗效率方面的课题已迈入了临床前实验阶段。在打开了人类胚胎发育和进化的奥秘这扇大门后，更多相关领域的课题研究必将飞速发展。

参考来源：光明网、国际在线、中国科学报