成功構(gòu)建秀麗隱桿線蟲發(fā)育的分子圖譜

在一項(xiàng)新的研究中，來自美國賓夕法尼亞大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員**詳細(xì)描述了動(dòng)物胚胎發(fā)育過程中每個(gè)細(xì)胞是如何變化的。他們使用了新興的單細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的****來分析秀麗隱桿線蟲胚胎中的細(xì)胞。相關(guān)研究結(jié)果于2019年9月5日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)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(xué)佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院的John Murray、賓夕法尼亞大學(xué)文理學(xué)院的JunhyongKim和華盛頓大學(xué)的Robert Waterston。

Murray說，“在過去幾年，新的單細(xì)胞基因組學(xué)方法徹底改變了對動(dòng)物發(fā)育的研究。我們的研究利用了這樣一個(gè)事實(shí)：秀麗隱桿線蟲胚胎具有非常少量的細(xì)胞，而且這些細(xì)胞由已知的完全可重復(fù)的細(xì)胞分裂模式產(chǎn)生。通過使用單細(xì)胞基因組學(xué)方法，我們能夠在從原腸胚形成（當(dāng)存在約50個(gè)細(xì)胞時(shí)）到胚胎發(fā)生結(jié)束這個(gè)過程中識別87%以上的胚胎細(xì)胞。”

秀麗隱桿線蟲是一種體內(nèi)只有558個(gè)細(xì)胞的動(dòng)物。在多細(xì)胞生物體中，每個(gè)細(xì)胞都是通過單個(gè)受精卵的細(xì)胞分裂得到的，從而產(chǎn)生一個(gè)顯示每個(gè)細(xì)胞的分裂歷史的“細(xì)胞譜系樹（cell lineage tree）”，并描述它們彼此之間的關(guān)系，類似于家譜那樣。Sydney Brenner、H. Robert Horvitz和John Sulston在40多年前共同獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，他們的研究已繪制出秀麗隱桿線蟲的細(xì)胞譜系樹，并且他們發(fā)現(xiàn)每一種秀麗隱桿線蟲都是通過相同的細(xì)胞分裂模式產(chǎn)生的。

為了進(jìn)一步闡明這種發(fā)育過程，這些研究人員通過使用單細(xì)胞基因組學(xué)方法測量轉(zhuǎn)錄組---細(xì)胞中的所有RNA，以便在分子水平上描述發(fā)生的事情。這些方法允許科學(xué)家們能夠確定在幾萬或數(shù)十萬個(gè)細(xì)胞中表達(dá)或開啟的哪些基因，并根據(jù)相似基因亞群的表達(dá)鑒定稀有細(xì)胞類型。然而，在之前的研究中很難知道是否已鑒定了所有細(xì)胞類型，或者所鑒定的細(xì)胞經(jīng)過細(xì)胞分裂后如何在彼此之間建立關(guān)聯(lián)性。

論文**作者、華盛頓大學(xué)的研究生Jonathan Packer和賓夕法尼亞大學(xué)的Qin Zhu開發(fā)出復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析程序和算法，以追蹤轉(zhuǎn)錄組針對細(xì)胞譜系樹的時(shí)間序列發(fā)生的變化，從而揭示產(chǎn)生秀麗隱桿線蟲全身所需的分子變化的詳細(xì)動(dòng)態(tài)。

由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集將成為研究秀麗隱桿線蟲作為模式生物的數(shù)千個(gè)實(shí)驗(yàn)室的強(qiáng)有力工具，并突顯了單獨(dú)使用單細(xì)胞基因組學(xué)推斷其他物種中細(xì)胞之間關(guān)系的局限性。

Kim說，“賓夕法尼亞大學(xué)一直是單細(xì)胞基因組學(xué)的先驅(qū)之一，這真地有助于讓這項(xiàng)研究成為可能。”

這項(xiàng)研究有助于揭示細(xì)胞在發(fā)育過程中如何讓它們的功能特化的基本機(jī)制。比如，這些研究人員發(fā)現(xiàn)具有不同譜系歷史的細(xì)胞可以迅速收斂到相同的分子狀態(tài)，從而無法再區(qū)分它們。他們還發(fā)現(xiàn)，在分化過程中，一些細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組發(fā)生了驚人的快速變化。

此外，這項(xiàng)研究將有助于再生醫(yī)學(xué)和細(xì)胞工程中的應(yīng)用，比如控制使用患者自身細(xì)胞進(jìn)行治療所涉及的細(xì)胞分化過程。