单细胞表达模式的4D可视化图像
在胚胎发育过程中，一颗受精卵如何发育成各种不同类型的细胞？这是生物学中最基本的问题之一。虽然回答这个问题对于理解多细胞生物的形成至关重要，但是在单细胞、全基因组和整个胚胎水平上研究细胞多样化的发育机制一直是一项极具挑战的任务。
“胚胎发育需要多种不同的细胞类型，这些细胞的形成是由基因表达程序指导的。然而到目前为止，我们对基因表达程序还缺乏全面的了解，针对单细胞水平胚胎发育的完整描述尚未实现。”本研究的第一作者、曾在德国海德堡欧洲分子生物学实验室做博士后的Hanna Sladitschek博士解释道。
近日，来自德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）的科学家们在《细胞》杂志上发表论文称，他们通过构建海鞘（Phallusia mammillata）的“虚拟胚胎”，描述了胚胎发育早期细胞分裂时每个细胞的基因表达和形态，展示了从1个细胞到64个细胞的变化过程。这是科学家们第一次在单细胞水平上对早期胚胎发育完整过程进行描述。
海鞘是一种海洋生物，栖息于地中海和大西洋。它属于脊索动物门，与脊椎动物具有亲缘关系，且每个个体都有相同数量的细胞，方便科学家们从多个样本中收集观察结果。
为了生成胚胎发育完整的单细胞图谱，研究人员结合了高分辨率的单细胞转录组学和光片成像技术。研究发现，在海鞘胚胎的第七次细胞分裂之后，神经索、大脑、生殖细胞、血细胞前体和肌肉的命运就已经被确定了。因此，这项研究展示的从1到64个细胞的变化过程，完整地描述了细胞命运决定前早期胚胎发育中每个细胞的状态，包括基因表达和空间位置。
EMBL的研究组组长Pierre Neveu博士说：“我们的模型显示，可通过分析单个细胞的基因表达以了解其空间位置和发育历史。此外，我们还发现，虽然胚胎中基因表达的调控是非常精确的，但发育时间的差异会导致个体胚胎之间的差异。”
基因表达通常被认为是一个嘈杂的过程，充满了随机因素。而新的结果表明，特定胚胎细胞间的基因表达具有显著的可重复性和协调性。“这种协调是如何实现的？”Neveu说，这个新问题值得科学家们进一步思考研究。
论文的合作者Lars Hufnagel说：“我们的研究代表了发育基因组学这一新兴领域的一次飞跃。现在我们研究的是只有少量细胞的海鞘，将来针对拥有大量细胞的哺乳动物的研究将会更加有趣！”
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编译：花花
审稿：西莫
责编：邓可
期刊来源：《细胞》
期刊编号：0092-8674
原文链接：
https://phys.org/news/2020-04-unprecedented-single-cell-virtual-embryo.html
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