前所未有！在虚拟胚胎中进行单细胞研究

　　

“在胚胎发育过程中，人体内的许多不同类型的细胞是如何从一个卵子（卵子只是一个细胞）诞生？这是生物学中最基本的问题之一，”欧洲分子生物学实验室的课题组长Pierre Neveu解释道，他的研究小组与Lars Hufnagel博士合作进行的研究阐述了其中的理论基础。

虽然回答这个问题对于理解多细胞生物如何形成至关重要，但在单细胞、全基因组和整个胚胎水平上推动这种细胞多样化的发育机制是一项具有挑战性的任务。

“到目前为止，我们还缺乏对基因表达程序的全面了解。它们指导单个细胞形成构建胚胎所需的不同细胞类型，”该研究的第一作者Hanna Sladitschek博士解释道，她曾是海德堡EMBL的博士后，现在是帕多瓦大学医学院的博士后。“尽管这一领域取得了一些进展，但直到现在，胚胎中每个细胞在空间和时间的发育的完整描述才得以实现。

EMBL的研究人员通过构建一个海鞘（Phallusia mammillata）的“虚拟胚胎”来解决这个问题，这个物种被选为一个模型系统，因为它与脊椎动物有亲缘关系，每个个体都有相同数量的细胞，这使得从许多标本中结合观察更容易。

这个虚拟胚胎描述了胚胎发育早期每个细胞分裂时每个单个细胞的基因表达和形态，显示了从单个细胞到64个细胞的进化过程。在前七个细胞分裂之后，未来的神经索、大脑、生殖细胞、血细胞前体和肌肉的命运已经确定。这使得它成为第一个完整描述胚胎中每一个细胞早期发育的蓝图。它还描述了基因的表达是如何表达和出现的，以及它们的空间位置。为了生成这一综合图谱，研究人员将高分辨率单细胞转录组学和光片成像相结合。

“我们的模型表明，通过分析单个细胞的基因表达就有可能知道其位置和历史。”Neveu说。“此外，我们发现，虽然基因表达的调节在胚胎中非常精确，但发育时间的差异可以解释观察到的单个胚胎之间的差异。”

基因表达通常被认为是一个嘈杂的过程，换言之，是一个表现出随机性的过程，然而新的研究结果表明，它在给定胚胎的细胞间具有显著的可重复性和协调性！“如何实现这种协调？两个镜像对称的胚胎半体之间的胚胎如何协调？”Neveu说。他强调了一些科学家想回答的新问题。

“我们的研究代表了发展基因组学新兴领域的一个飞跃。”Hufnagel说。“既然我们已经研究了一种含有少量细胞的有机体，那么将我们的研究扩展到拥有更多细胞的哺乳动物身上当然会非常有趣！”

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原文检索：Full single-cell transcriptome dynamics from zygote to gastrulation in a chordate. Cell, published on 20 April 2020 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.03.055

（生物通：伍松）