科學家們在分子水平上對正在發育的線蟲胚胎的細胞進行了分類。在這個可視化的數據集中，每個點代表一個細胞，顏色代表該細胞來自的胚胎時期（橙色=早期，綠色=中期，藍色/紅色=晚期），這些點的排列方式使具有相似轉錄組的細胞彼此靠近。這樣，數據集就形成了各種各樣的「軌跡」，對應於組織和單個細胞類型。
在9月5日發表於《科學》雜誌上的一篇論文中，美國賓夕法尼亞大學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。這項研究由佩雷爾曼醫學院的John I. Murray、文理學院的Junhyong Kim和華盛頓大學的Robert Waterston領導，他們利用單細胞生物學新興領域的最新技術，對8萬多個秀麗隱杆線蟲胚胎細胞進行了鑑定。
「在過去的幾年裡，新的單細胞基因組學方法已經徹底改變了動物發育的研究。」Murray說，「我們的研究利用了秀麗隱杆線蟲胚胎的細胞很少，而且是由已知且完全可複製的細胞分裂模式產生的這一優勢。通過單細胞基因組學，我們識別了來自原腸胚形成（當時大約有50個細胞）直到胚胎發育結束時超過87%的胚胎細胞。」
秀麗隱杆線蟲的體內只有558個細胞。在多細胞生物中，每個細胞都是由一個受精卵細胞分裂而來，形成一個類似於家譜的「細胞譜系樹」，展示了每個細胞的分裂歷史，並描述了它們之間的關係。Sydney Brenner、H. Robert Horvitz和John Sulston在40多年前因繪製出了秀麗隱杆線蟲的細胞譜系樹而共同獲得了諾貝爾獎，他們的研究成果表明，每隻秀麗隱杆線蟲都是通過相同的細胞分裂模式發育的。
為了進一步闡明線蟲的發育過程，研究小組利用單細胞基因組學的方法，通過測量單個細胞在發育過程中的轉錄組（一個細胞中的所有RNA），在分子水平上描述了發生的事件。這些方法使科學家們能夠在成千上萬的細胞中，確定哪些基因被激活表達，並根據它們在基因的類似子集中的表達來識別罕見的細胞類型。然而，在這些研究中，我們很難知道是否所有的細胞類型都已被識別，或者這些被識別的細胞是如何通過細胞分裂相互關聯的。
主要作者、華盛頓大學的Jonathan Packer和賓夕法尼亞大學的Qin Zhu開發了複雜的數據分析程序和算法，跟蹤了轉錄組的變化以及細胞譜系樹的時間序列，揭示了產生秀麗隱杆線蟲整個身體所需分子變化的詳細動態。由此產生的數據集將為數千個以秀麗隱杆線蟲作為模型生物進行研究的實驗室提供強大的工具，也加強了僅使用單細胞基因組學來推斷其他物種細胞之間關係的局限性。
這項研究有助於揭示細胞在發育過程中如何特化其功能的基本機制。例如，具有非常不同譜系歷史的細胞可以迅速靠攏到相同的分子狀態，變得不再能夠被區分。研究人員還發現，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，這項工作將有助於再生醫學和細胞工程的應用，例如在使用自體細胞進行治療過程中控制細胞的分化。
科界原創
編譯：花花
審稿：三水
責編：張夢
期刊來源：《科學》
期刊編號：0036-8075
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