Science：成功构建秀丽隐杆线虫发育的分子图谱

来源：生物谷

在一项新的研究中，来自美国宾夕法尼亚大学等研究机构的研究人员首次详细描述了动物胚胎发育过程中每个细胞是如何变化的。他们使用了新兴的单细胞生物学领域的最新技术来分析秀丽隐杆线虫胚胎中的细胞。相关研究结果于2019年9月5日在线发表在Science期刊上，论文标题为“A lineage-resolved molecular atlas of C. elegans embryogenesis at single-cell resolution”。论文通讯作者为宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的John I. Murray、宾夕法尼亚大学文理学院的Junhyong Kim和华盛顿大学的Robert Waterston。

图片来自Cole Trapnell。

Murray说，“在过去几年，新的单细胞基因组学方法彻底改变了对动物发育的研究。我们的研究利用了这样一个事实：秀丽隐杆线虫胚胎具有非常少量的细胞，而且这些细胞由已知的完全可重复的细胞分裂模式产生。通过使用单细胞基因组学方法，我们能够在从原肠胚形成（当存在约50个细胞时）到胚胎发生结束这个过程中识别87%以上的胚胎细胞。”

秀丽隐杆线虫是一种体内只有558个细胞的动物。在多细胞生物体中，每个细胞都是通过单个受精卵的细胞分裂得到的，从而产生一个显示每个细胞的分裂历史的“细胞谱系树（cell lineage tree）”，并描述它们彼此之间的关系，类似于家谱那样。Sydney Brenner、H. Robert Horvitz和John Sulston在40多年前共同获得了诺贝尔奖，他们的研究已绘制出秀丽隐杆线虫的细胞谱系树，并且他们发现每一种秀丽隐杆线虫都是通过相同的细胞分裂模式产生的。

为了进一步阐明这种发育过程，这些研究人员通过使用单细胞基因组学方法测量转录组---细胞中的所有RNA，以便在分子水平上描述发生的事情。这些方法允许科学家们能够确定在几万或数十万个细胞中表达或开启的哪些基因，并根据相似基因亚群的表达鉴定稀有细胞类型。然而，在之前的研究中很难知道是否已鉴定了所有细胞类型，或者所鉴定的细胞经过细胞分裂后如何在彼此之间建立关联性。

论文第一作者、华盛顿大学的研究生Jonathan Packer和宾夕法尼亚大学的Qin Zhu开发出复杂的数据分析程序和算法，以追踪转录组针对细胞谱系树的时间序列发生的变化，从而揭示产生秀丽隐杆线虫全身所需的分子变化的详细动态。

由此产生的数据集将成为研究秀丽隐杆线虫作为模式生物的数千个实验室的强有力工具，并突显了单独使用单细胞基因组学推断其他物种中细胞之间关系的局限性。

Kim说，“宾夕法尼亚大学一直是单细胞基因组学的先驱之一，这真地有助于让这项研究成为可能。”

这项研究有助于揭示细胞在发育过程中如何让它们的功能特化的基本机制。比如，这些研究人员发现具有不同谱系历史的细胞可以迅速收敛到相同的分子状态，从而无法再区分它们。他们还发现，在分化过程中，一些细胞的转录组发生了惊人的快速变化。

此外，这项研究将有助于再生医学和细胞工程中的应用，比如控制使用患者自身细胞进行治疗所涉及的细胞分化过程。

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