科學(xué)家利用虛擬胚胎進(jìn)行單個細(xì)胞層面的研究

    近日，發(fā)表在Cell上的一項研究中，來自歐洲分子生物學(xué)實驗室（EMBL）和意大利帕多瓦大學(xué)的研究團(tuán)隊首次對早期胚胎發(fā)育進(jìn)行了完整的描述，包括胚胎中的每一個細(xì)胞。這種“虛擬胚胎”有助于解答生物體內(nèi)的不同類型細(xì)胞是如何從單個卵細(xì)胞起源的。

    EMBL的研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人Pierre Neveu博士解釋說：“在胚胎發(fā)育過程中，人體內(nèi)的許多不同類型的細(xì)胞是如何從單個卵細(xì)胞發(fā)育而來的？這是生物學(xué)中最基本的問題之一。” Neveu博士闡述了他和他的團(tuán)隊與Lars Hufnagel博士的團(tuán)隊合作進(jìn)行的這項研究背后的基本原理。

    盡管解答這個問題對于理解多細(xì)胞生物如何形成是至關(guān)重要的，但在單細(xì)胞、全基因組和整個胚胎水平上研究驅(qū)動這種細(xì)胞多樣化的發(fā)育機(jī)制是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

    該研究的第一作者Hanna Sladitschek博士解釋說：“截止到目前，我們?nèi)詫虮磉_(dá)程序缺乏全面的了解。這些程序會指導(dǎo)單個細(xì)胞形成構(gòu)建胚胎所必需的不同細(xì)胞類型。盡管最近在這一領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，但直到現(xiàn)在，胚胎中每個細(xì)胞在空間和時間的發(fā)育的完整描述才得以實現(xiàn)。”

    EMBL研究團(tuán)隊通過構(gòu)建一個海鞘 （Phallusia mammillata）的“虛擬胚胎”來解決這個問題。海鞘是一種海洋生物，生活在地中海和大西洋中。之所以選擇該物種作為模型系統(tǒng)，是因為它與脊椎動物存在親緣關(guān)系，而且每個個體都有相同數(shù)量的細(xì)胞，因此更容易將許多樣本的觀察結(jié)果結(jié)合起來。

    這個虛擬胚胎描述了胚胎在發(fā)育早期的每個細(xì)胞分裂時的基因表達(dá)和形態(tài)，顯示了從單個細(xì)胞到64個細(xì)胞的進(jìn)化過程。在最初的七個細(xì)胞分裂之后，未來的神經(jīng)索、大腦、生殖細(xì)胞、血細(xì)胞前體和肌肉的命運已經(jīng)被確定。這使其對胚胎中每個細(xì)胞的早期發(fā)育進(jìn)行了完整描述。這個虛擬胚胎還描述了基因表達(dá)（細(xì)胞的遺傳信息是如何表達(dá)和出現(xiàn)的）以及空間位置。為了生成完整的圖譜，研究人員將高分辨率單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)和光片成像技術(shù)結(jié)合起來。

    Neveu說：“我們的模型顯示，可以通過分析單個細(xì)胞的基因表達(dá)來了解其位置和歷史。此外，我們發(fā)現(xiàn)，雖然基因表達(dá)的調(diào)控在胚胎中是非常精確的，但發(fā)育時間的差異可以解釋單個胚胎之間觀察到的差異。”

    基因表達(dá)通常被認(rèn)為是一個“嘈雜”的過程，換言之，它具備隨機(jī)性因素。然而新的研究結(jié)果表明，基因表達(dá)具備顯著的可重現(xiàn)性，特定胚胎中的細(xì)胞之間具有明顯的協(xié)調(diào)性。Neveu說：“如何實現(xiàn)這種協(xié)調(diào)？胚胎如何協(xié)調(diào)兩個鏡像對稱的半胚？” Neveu提出了科學(xué)家們希望解答的一些新問題。

    Hufnagel說：“我們的研究代表了新興的發(fā)育基因組學(xué)領(lǐng)域的飛躍。既然我們已經(jīng)利用擁有少量細(xì)胞的生物體進(jìn)行研究，那么將我們的研究擴(kuò)展到擁有更多細(xì)胞的哺乳動物當(dāng)然會更有趣！”