一窺胚胎發育過程的奧秘一直都是人類渴望的事情之一，然而想要了解胚胎發育的詳細機制就必須有辦法分析定量單一細胞內的各種生物分子。隨著單一細胞分離技術的進展，基因體定序、轉錄體分析、蛋白質體分析使我們得以知道細胞內的大分子資訊；然而 2015 年來自喬治·華盛頓大學的 Rosemary M. Onjiko 團隊才突破了以往的限制，使得研究人員得以分析及定量單一細胞內的代謝體（metabolomics）這類的小分子資訊 [1]。
該團隊利用先前發表的分析系統 CE-µESI-MS 偵測三種不同細胞內的小分子代謝物 [2] 顯示有些小分子共同出現在所有實驗細胞中，而有些只在特定細胞中偵測到。這些來自非洲爪蟾 16 細胞期胚胎之三種不同的卵裂球細胞分別為 D11（動物極背側細胞），V11（動物腹側細胞；原文：the midine ventral-animal cell（ named V11））及 V21（植物腹側細胞）。將三種細胞中皆能偵測到的 80 種不同的分子特徵（molecular feature）進一步與 KEGG 資料庫（京都基因與基因组百科全書）比對後，共可鑑定出 40 種分子，其中 90% 的分子皆為哺乳類細胞中的主要代謝路徑中的一員。接著，為了探討這些在不同細胞中皆可偵測到的小分子是否存在含量上的差異，作者利用多變量分析（multivariate analysis）比較不同卵裂球細胞中 40 種主要小分子的相對含量，並利用階層式分群法（hierarchical cluster analysis, HCA）及熱圖呈現，結果顯示確實在所有實驗細胞中都各自存在著特定細胞種類獨有的代謝活性，因此利用小分子代謝物做分群，確實可以分出不同的細胞種類。而這些小分子活性的差異其實就暗示著細胞對於特定代謝路徑的正調控或負調控。
究竟是什麼因素造成這些細胞之間存在代謝體（metabolomics）的差異呢？可能來自單一因素或綜合幾種因素的結果，例如先前提及的細胞種類，或是細胞處在的電化學環境 [3]，抑或是細胞的生理特性（細胞大小、卵黃板數量及大小、色素多寡）的影響。為了解開謎底，研究團隊利用紫外光照射受精初期的受精卵以阻止腹部化的過程進而造成胚胎缺乏背側結構 [4]，接著同樣利用 CE-µESI-MS 分析三種細胞內的小分子代謝物。有趣的是，先前發現在 D11背側細胞中顯著較多的小分子（例如：絲胺酸，酥胺酸，甘胺酸，組胺酸和總尿酸鹽）竟然不再堆積。而由於在 16 細胞時期，各細胞在形態上並無可觀察到的差異，因此得知造成 D11、V11、V21 間的細胞種類的不同造成代謝體差異，而非色素多寡或細胞大小等。
看到這裡，你可能也會好奇這些細胞間代謝小分子含量的差異，是否真的會造成往後細胞發育的差異。該團隊透過顯微注射的方式將特定的代謝物標準品注射入細胞中並且對細胞譜系（cell lineage）進行追蹤，結果他們發現儘管只有少數特定的代謝物的差異就足以影響其子代細胞在胚胎中的分佈，最終影響到整個組織的命運。此研究突破發育生物學研究的一個瓶頸，成功的利用質譜儀測量單一卵裂球的小分子，指出在發育早期胚胎中（16 細胞時期）不同細胞具有其特定的代謝體。這就像替卵裂球拍了一張富有代謝小分子資訊的快照，補足了以往只能分析單一卵裂球細胞之轉錄體學與蛋白質體學的不足。
圖片來源：https://www.pnas.org/content/112/21/6545.long Uncover small-molecular activity during early-stage embryo development
參考資料：
- Onjiko, R. M., Moody, S. A., & Nemes, P. (2015). Single-cell mass spectrometry reveals small molecules that affect cell fates in the 16-cell embryo. Proc Natl Acad Sci U S A, 112(21), 6545-6550. doi:10.1073/pnas.1423682112
- Nemes, P., Rubakhin, S. S., Aerts, J. T., & Sweedler, J. V. (2013). Qualitative and quantitative metabolomic investigation of single neurons by capillary electrophoresis electrospray ionization mass spectrometry. Nat Protoc, 8(4), 783-799. doi:10.1038/nprot.2013.035
- Adams, D. S., Robinson, K. R., Fukumoto, T., Yuan, S., Albertson, R. C., Yelick, P., . . . Levin, M. (2006). Early, H+-V-ATPase-dependent proton flux is necessary for consistent left-right patterning of non-mammalian vertebrates. Development, 133(9), 1657-1671. doi:10.1242/dev.02341
- Harland, R., & Gerhart, J. (1997). Formation and function of Spemann’s organizer. Annu Rev Cell Dev Biol, 13, 611-667. doi:10.1146/annurev.cellbio.13.1.611
撰文│林映希
審稿│吳畇芸、陳帝亢
