科學家利用虛擬胚胎進行單個細胞層面的研究

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

    EMBL的研究團隊負責人Pierre Neveu博士解釋說：“在胚胎發(fā)育過程中，人體內的許多不同類型的細胞是如何從單個卵細胞發(fā)育而來的？這是生物學中最基本的問題之一。” Neveu博士闡述了他和他的團隊與Lars Hufnagel博士的團隊合作進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胞生物如何形成是至關重要的，但在單細胞、全基因組和整個胚胎水平上研究驅動這種細胞多樣化的發(fā)育機制是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。

    該研究的第一作者Hanna Sladitschek博士解釋說：“截止到目前，我們仍對基因表達程序缺乏全面的了解。這些程序會指導單個細胞形成構建胚胎所必需的不同細胞類型。盡管最近在這一領域取得了一些進展，但直到現在，胚胎中每個細胞在空間和時間的發(fā)育的完整描述才得以實現。”

    EMBL研究團隊通過構建一個海鞘 （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系，而且每個個體都有相同數量的細胞，因此更容易將許多樣本的觀察結果結合起來。

    這個虛擬胚胎描述了胚胎在發(fā)育早期的每個細胞分裂時的基因表達和形態(tài)，顯示了從單個細胞到64個細胞的進化過程。在最初的七個細胞分裂之后，未來的神經索、大腦、生殖細胞、血細胞前體和肌肉的命運已經被確定。這使其對胚胎中每個細胞的早期發(fā)育進行了完整描述。這個虛擬胚胎還描述了基因表達（細胞的遺傳信息是如何表達和出現的）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胞轉錄組學和光片成像技術結合起來。

    Neveu說：“我們的模型顯示，可以通過分析單個細胞的基因表達來了解其位置和歷史。此外，我們發(fā)現，雖然基因表達的調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。”

    基因表達通常被認為是一個“嘈雜”的過程，換言之，它具備隨機性因素。然而新的研究結果表明，基因表達具備顯著的可重現性，特定胚胎中的細胞之間具有明顯的協(xié)調性。Neveu說：“如何實現這種協(xié)調？胚胎如何協(xié)調兩個鏡像對稱的半胚？” Neveu提出了科學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)育基因組學領域的飛躍。既然我們已經利用擁有少量細胞的生物體進行研究，那么將我們的研究擴展到擁有更多細胞的哺乳動物當然會更有趣！”