Science:成功構建秀麗隱杆線蟲發育的分子圖譜

2020-12-05 騰訊網

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在一項新的研究中，來自美國賓夕法尼亞大學等研究機構的研究人員首次詳細描述了動物胚胎發育過程中每個細胞是如何變化的。他們使用了新興的單細胞生物學領域的最新技術來分析秀麗隱杆線蟲胚胎中的細胞。相關研究結果於2019年9月5日在線發表在Science期刊上，論文標題為「A lineage-resolved molecular atlas of C. elegans embryogenesis at single-cell resolution」。論文通訊作者為賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的John I. Murray、賓夕法尼亞大學文理學院的Junhyong Kim和華盛頓大學的Robert Waterston。

圖片來自Cole Trapnell。

Murray說，「在過去幾年，新的單細胞基因組學方法徹底改變了對動物發育的研究。我們的研究利用了這樣一個事實：秀麗隱杆線蟲胚胎具有非常少量的細胞，而且這些細胞由已知的完全可重複的細胞分裂模式產生。通過使用單細胞基因組學方法，我們能夠在從原腸胚形成（當存在約50個細胞時）到胚胎發生結束這個過程中識別87%以上的胚胎細胞。」

秀麗隱杆線蟲是一種體內只有558個細胞的動物。在多細胞生物體中，每個細胞都是通過單個受精卵的細胞分裂得到的，從而產生一個顯示每個細胞的分裂歷史的「細胞譜系樹（cell lineage tree）」，並描述它們彼此之間的關係，類似於家譜那樣。Sydney Brenner、H. Robert Horvitz和John Sulston在40多年前共同獲得了諾貝爾獎，他們的研究已繪製出秀麗隱杆線蟲的細胞譜系樹，並且他們發現每一種秀麗隱杆線蟲都是通過相同的細胞分裂模式產生的。

為了進一步闡明這種發育過程，這些研究人員通過使用單細胞基因組學方法測量轉錄組---細胞中的所有RNA，以便在分子水平上描述發生的事情。這些方法允許科學家們能夠確定在幾萬或數十萬個細胞中表達或開啟的哪些基因，並根據相似基因亞群的表達鑑定稀有細胞類型。然而，在之前的研究中很難知道是否已鑑定了所有細胞類型，或者所鑑定的細胞經過細胞分裂後如何在彼此之間建立關聯性。

論文第一作者、華盛頓大學的研究生Jonathan Packer和賓夕法尼亞大學的Qin Zhu開發出複雜的數據分析程序和算法，以追蹤轉錄組針對細胞譜系樹的時間序列發生的變化，從而揭示產生秀麗隱杆線蟲全身所需的分子變化的詳細動態。

由此產生的數據集將成為研究秀麗隱杆線蟲作為模式生物的數千個實驗室的強有力工具，並突顯了單獨使用單細胞基因組學推斷其他物種中細胞之間關係的局限性。

Kim說，「賓夕法尼亞大學一直是單細胞基因組學的先驅之一，這真地有助於讓這項研究成為可能。」

這項研究有助於揭示細胞在發育過程中如何讓它們的功能特化的基本機制。比如，這些研究人員發現具有不同譜系歷史的細胞可以迅速收斂到相同的分子狀態，從而無法再區分它們。他們還發現，在分化過程中，一些細胞的轉錄組發生了驚人的快速變化。

此外，這項研究將有助於再生醫學和細胞工程中的應用，比如控制使用患者自身細胞進行治療所涉及的細胞分化過程。

參考資料：

1.Jonathan S. Packer et al.A lineage-resolved molecular atlas of C. elegans embryogenesis at single-cell resolution. Science, 2019, doi:10.1126/science.aax1971.

2.A molecular 'atlas' of animal development

https://phys.org/news/2019-09-molecular-atlas-animal.html

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