科學(xué)家利用虛擬胚胎進(jìn)行單個(gè)細(xì)胞層面的研究

    近日，發(fā)表在Cell上的一項(xiàng)研究中，來(lái)自歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（EMBL）和意大利帕多瓦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次對(duì)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(gè)細(xì)胞。這種“虛擬胚胎”有助于解答生物體內(nèi)的不同類(lèi)型細(xì)胞是如何從單個(gè)卵細(xì)胞起源的。

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

    盡管解答這個(gè)問(wèn)題對(duì)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(gè)胚胎水平上研究驅(qū)動(dòng)這種細(xì)胞多樣化的發(fā)育機(jī)制是一項(xiàng)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(shuō)：“截止到目前，我們?nèi)詫?duì)基因表達(dá)程序缺乏全面的了解。這些程序會(huì)指導(dǎo)單個(gè)細(xì)胞形成構(gòu)建胚胎所必需的不同細(xì)胞類(lèi)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(gè)細(xì)胞在空間和時(shí)間的發(fā)育的完整描述才得以實(shí)現(xiàn)。”

    EMBL研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建一個(gè)海鞘 （Phallusia mammillata）的“虛擬胚胎”來(lái)解決這個(gè)問(wèn)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?yàn)樗c脊椎動(dòng)物存在親緣關(guān)系，而且每個(gè)個(gè)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(lái)。

    這個(gè)虛擬胚胎描述了胚胎在發(fā)育早期的每個(gè)細(xì)胞分裂時(shí)的基因表達(dá)和形態(tài)，顯示了從單個(gè)細(xì)胞到64個(gè)細(xì)胞的進(jìn)化過(guò)程。在最初的七個(gè)細(xì)胞分裂之后，未來(lái)的神經(jīng)索、大腦、生殖細(xì)胞、血細(xì)胞前體和肌肉的命運(yùn)已經(jīng)被確定。這使其對(duì)胚胎中每個(gè)細(xì)胞的早期發(fā)育進(jìn)行了完整描述。這個(gè)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(lái)。

    Neveu說(shuō)：“我們的模型顯示，可以通過(guò)分析單個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)來(lái)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(shí)間的差異可以解釋單個(gè)胚胎之間觀察到的差異。”

    基因表達(dá)通常被認(rèn)為是一個(gè)“嘈雜”的過(guò)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(shuō)：“如何實(shí)現(xiàn)這種協(xié)調(diào)？胚胎如何協(xié)調(diào)兩個(gè)鏡像對(duì)稱的半胚？” Neveu提出了科學(xué)家們希望解答的一些新問(wèn)題。

    Hufnagel說(shuō)：“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(dòng)物當(dāng)然會(huì)更有趣！”