这是我研究的第二个实验室。加利福尼亚理工学院的斯塔索普洛斯实验室，由安吉拉·斯塔索普洛斯领导。他们研究胚胎如何自我构建——具体来说，基因在发育过程中何时何地启动。
核心问题
你可能在学校里学过DNA是蓝图。这是一个有用的谎言。蓝图告诉你确切的位置。DNA更像是一个食谱——但其中的成分必须在正确的时间、正确的顺序、正确的温度下出现，否则整个过程就会失败。
胚胎最初是一个单细胞。这个细胞分裂。后代必须变成不同的东西——一些变成肌肉，一些变成肠道，一些变成神经细胞。它们都携带相同的DNA。那么它们为什么不同？哪些基因在何时何地被启动。
斯塔索普洛斯实验室使用果蝇（Drosophila）来研究这一过程。果蝇非常适合这个研究，因为它们发育速度快，有强大的遗传学工具，你可以在显微镜下实时观察整个过程。
他们正在研究的四件事
1. 不仅仅是位置——还有时间
大多数发育生物学家关注的是空间方面：这个基因在这里启动，那个基因在那里启动。斯塔索普洛斯实验室关注的是时间。基因何时启动？是什么控制了这一点？
他们研究早期胚胎的背腹轴——本质上，胚胎如何确定哪一侧是背部，哪一侧是腹部。一个名为Dorsal的蛋白质是这个过程的主开关。但Dorsal并不单独工作。它需要“先锋因子”的帮助——蛋白质可以打开DNA包装（染色质），使Dorsal能够访问它需要激活的基因。
他们发现了一个名为Odd-paired的先锋因子，它与另一个因子Zelda共同调节母体到合子过渡期间的基因表达。这个过渡是一个关键的交接：胚胎开始按照母亲的指令运行，然后必须切换到自己的指令。Odd-paired有助于实现这一点。
2. 启动子有空中交通管制
这里有一件大多数人不知道的关于基因调控的事情。一个基因可以有多个启动子——DNA片段，可以增强其表达。每个启动子可能在不同的时间、不同的组织中对不同的信号作出反应。
但多个相同基因的启动子如何协调？谁先启动？
斯塔索普洛斯实验室使用brinker基因作为模型，并发现启动子附近的元件——转录开始处的序列——调节启动子依次启动的顺序。这就像繁忙机场的空中交通管制：多架飞机都想降落，但必须按顺序来。
他们还开发了新的技术来可视化单个细胞中的染色质结构——本质上是观察DNA如何在三维空间中折叠，以便在正确的时间将启动子带到正确的启动子附近。
3. 发送反向信号的生长因子
成纤维细胞生长因子（FGFs）是控制从胚胎发育到伤口愈合的一切的信号分子。在人类中，有超过120种可能的FGF受体组合——极其复杂。
在果蝇中，只有3种。干净得多。
实验室研究了一种名为Pyramus的FGF，并发现了以前在任何FGF中从未见过的两个特征：
- 一个跨膜结构域，将Pyramus锚定在其起源细胞上。信号只能到达附近的细胞——这是一个局部呼叫，而不是广播。
- 一个降解子，在Pyramus仍然附着时将其破坏。信号只有在Pyramus被切断后才发送。这是一种时间机制。
这些特征一起让Pyramus在正确的时间以精确的方向发送信号。这是第一次在任何FGF中发现这些结构特征——人类有22个。
4. 丢失的细胞被杀死
这是我最喜欢的一个。
在胚胎发育过程中，一组称为尾部内脏中胚层（CVM）的细胞必须从胚胎的后部迁移到前部。这是果蝇胚胎发生中最长的迁移——六个小时的爬行。这些细胞最终形成包裹在肠道周围的肌肉。
如果一个细胞偏离了路线，胚胎会杀死它。不是比喻意义上的。该细胞经历程序性细胞死亡——凋亡。胚胎有一个质量控制系统：如果你不在应该在的位置，你就完了。
实验室发现，这种杀伤机制涉及BMP信号传导和一个过程——称为异位诱导的细胞死亡——由与邻居失去适当接触触发的细胞死亡。就像一个建筑工人走离工地后被取消了资格一样。
为什么这很重要
你可能在想，为什么有人关心果蝇胚胎如何发育。好问题。
这些不是特定于果蝇的机制。启动子协调、染色质动态、生长因子信号传导、集体细胞迁移——所有这些都是每种动物发育的基础，包括人类。果蝇只是研究它们的最干净的系统。
如果我们理解胚胎在时间和空间上如何协调基因表达，我们就能更了解出生缺陷、发育障碍，甚至癌症（本质上是发育失控——细胞在没有适当控制的情况下分裂和迁移）。
最后总结
构建胚胎是一个交响乐问题。数千个基因必须在正确的时间、正确的位置、正确的顺序启动。斯塔索普洛斯实验室研究的是指挥者——调控序列、先锋因子、信号分子和质量控制系统，使这一切得以实现。而当这一切无法实现时？这就是疾病产生的原因。