撰文 | 胖胖企鵝
責編 | 兮
長期以來，人們一直渴望了解單細胞受精卵如何發育成不同細胞類型的多細胞有機體。單細胞RNA測序（scRNA-seq）大大推進了人們對細胞多樣性和其發育軌跡的了解，但還不足以全面描繪單個胚胎的空間結構和精細細胞組成。若將其與光片成像技術結合，可以形成胚胎基因表達4D圖譜，以回答發育生物學中更多的未解之謎。
2020年4月20日，來自歐洲分子生物實驗室的Pierre A. Neveu教授與Lars Hufnagel教授團隊在Cell在線發表了題為MorphoSeq: Full Single-Cell Transcriptome Dynamics Up to Gastrulation in a Chordate的文章，綜合運用單細胞轉錄組學和光片成像技術，繪製了胚胎發育中單細胞基因表達時空圖譜，構建了一個數位化虛擬胚胎，為深入研究胚胎發育提供重要數據支持。
首先為了精確還原胚胎發育過程中基因時空調控，該研究收集了2細胞期至64細胞期胚胎的單細胞進行深度scRNA-seq分析，並且追蹤每一個單細胞所屬胚胎。
隨後，研究人員將胚胎內的細胞按類型進行分層，他們依賴一個重要的計算框架MorphoSeq，運用非負矩陣分解迭代法的單細胞表達分類模型 （single-cell expression classification through iterations of nMF/SCECTION），即一個胚胎中的所有細胞被迭代地分成亞組直至在某一個亞組中基因表達變化保持最小變化。該模型可以識別64細胞期胚胎的18種細胞譜系。
下一步，研究人員希望通過每個細胞的全基因表達譜來推斷其譜系歷史，構建胚胎細胞譜系樹。每輪細胞分裂的scRNA-seq數據可以揭示母細胞與子細胞基因表達譜間的相關性，再通過反覆匹配所有子細胞與其母細胞，得到了完整的胚胎細胞譜系樹。
通過單細胞基因表達譜重構胚胎細胞譜系樹
該研究依賴的另一項重要技術即4D成像技術。該團隊在2012年發明的光片層掃描顯微鏡使精確捕捉胚胎細胞空間動態成為可能，現在他們期望能夠結合4D成像技術，來定位細胞表達譜在胚胎發育各個階段的空間位置，以數位化展現胚胎發育至原腸胚的過程。
64細胞期胚胎的單細胞基因表達時空圖譜
最後，研究人員分析胚胎內以及胚胎間在發育過程中基因表達的噪音和差異程度。結果發現，同一個細胞內的基因在不同時間點被協調地激活表達，在不同細胞或不同胚胎內也均能觀察到這種協調激活模式。
scRNA-seq得到或用模型預測的上調基因的相對表達
總的來說，該研究該利用scRNA-seq和光片成像技術，結合獨創的MorphoSeq計算框架，將單個胚胎中的每個細胞按類型分層，並確定每個細胞的空間位置和譜系歷史。最終再現了海鞘從胚胎到原腸胚形成過程中，18個細胞譜系每次細胞分裂的單細胞全基因組基因表達譜，揭示了胚胎內的基因表達高度變化性。
研究中展現的數字虛擬胚胎可謂是寶貴的研究資源，可從中深入挖掘整個有機體或組織結構模式的分子機制。發育生物學可能會迎來一個新的時代：系統地，定量地，空間尺度地追蹤胚胎每次細胞分裂中每個細胞的全基因組基因表達變化。