Cell lineage-resolved embryonic morphological map reveals signaling associated with cell fate and size asymmetry：线虫胚胎发育的深度解析与重要发现
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在胚胎发育研究中，细胞形状变化机制研究困难。研究人员构建秀丽隐杆线虫（C. elegans）胚胎细胞形态图，发现 Notch 和 Wnt 信号通路等对细胞命运和大小不对称的调控作用。这为深入研究细胞命运分化和形态发生机制奠定基础。
在生命科学的探索旅程中，细胞如何变化形状一直是发育生物学领域的关键谜题。这个过程对组织、器官乃至整个胚胎的发育都至关重要。然而，想要深入研究细胞形状变化却困难重重。在动物胚胎发育过程中，细胞会在自主或非自主调控下快速分裂、迁移，同时进行命运特化和分化，这使得对细胞行为的精确追踪变得极为不易。而且在高等动物中，由于细胞数量庞大以及体外培养胚胎进行活细胞成像的困难，实现高分辨率的细胞追踪几乎不可能。比如在小鼠或人类胚胎早期发育研究中，单细胞分析往往集中在极早期阶段，且细胞谱系存在不确定性，同时还忽略了细胞形态等重要特征。此前虽有对一些物种细胞形态的研究尝试，但都存在局限性，无法构建出涵盖整个胚胎发育过程，且解析细胞谱系和命运，同时包含其他定量形态特征的综合细胞形态图。因此，深入探究细胞形状变化的调控机制，构建全面的细胞形态图迫在眉睫。
为了解开这些谜团，北京大学定量生物学中心、香港城市大学、香港浸会大学等多机构的研究人员共同开展研究。他们建立了一个强大的研究平台，对秀丽隐杆线虫胚胎发育进行深入探究，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是 3D 荧光成像技术，通过对胚胎进行长时间、高频率的成像，获取细胞的形态信息；其次是开发的 CMap 算法，用于自动分割细胞图像，实现对细胞形态的精确解析；此外，还利用了 RNA 干扰（RNAi）技术来研究基因功能，以及构建转基因线虫品系辅助研究 。
下面来看具体的研究结果：
- 一种用于自动分割标记荧光蛋白的细胞膜直至 550 细胞期的方法：研究人员开发了全自动流程 CMap，结合转基因线虫品系和先进的自适应深度卷积神经网络 EDT-DMFNet，能够高精度地分割直至 550 细胞期的线虫胚胎细胞膜，还能计算细胞体积、表面积和接触面积，为后续分析提供基础。
- 秀丽隐杆线虫胚胎发育过程中几乎所有细胞的定量形态图及解析谱系：借助 CMap，研究人员建立了全面的形态图，涵盖 95% 以上的线虫胚胎细胞，确保数据的全面性、可靠性和准确性。该形态图可用于研究细胞形态动力学，且细胞体积和表面积在胚胎发育过程中受到严格调控。
- 利用形态图以细胞分辨率表征形态发生和器官发生：通过形态图，研究人员可以重建特定组织或器官的细胞变形和迁移过程，如咽部、肠道的形成以及体壁肌肉的组装等。研究发现，在这些过程中细胞不规则性增加，这是细胞迁移和重排的共同特征 。
- 利用形态图以细胞分辨率表征细胞谱系和命运分化：研究人员选择 MS 和 E 亚系进行研究，发现细胞不规则性与细胞周期相关，且在不同细胞亚系中表现不同。基因扰动实验表明，细胞形态动力学与命运相关，这为研究细胞命运分化提供了新视角。
- Notch 信号在促进其靶细胞前后代细胞大小不对称中的作用：研究发现 Notch 信号不仅诱导细胞命运不对称，还促进靶细胞前后代细胞大小不对称，使前一个子代细胞增大，后一个子代细胞缩小。通过 RNAi 实验验证了该信号对细胞大小不对称的影响 。
- 多轮不对称分裂导致秀丽隐杆线虫排泄细胞自诞生起就具有不成比例的大尺寸：研究表明，秀丽隐杆线虫排泄细胞 ABplpappaap的大尺寸是由多轮 Notch 调节的不对称细胞分裂形成的，这对其最终大小和功能具有重要意义。
- 识别由细胞信号调节的不对称分裂：结合细胞 - 细胞接触图和信号通路成分的线性表达，研究人员识别出多个新的 Notch 信号事件，这些信号对细胞大小不对称有影响，表明 Notch 信号在细胞命运和大小不对称调控中起重要作用。
- 多种机制对细胞大小不对称的广泛调节：研究发现 Wnt 信号通路、外部机械压缩和细胞凋亡等都参与细胞大小不对称的调节。Wnt 信号通路阻断会降低细胞体积不对称性，外部机械压缩会放大这种不对称性，且凋亡细胞往往比其姐妹细胞小 。
- 一种用于可视化和交互式分析胚胎细胞形态的定制软件工具：研究人员开发了 ITK - SNAP - CVE 软件，方便研究人员对秀丽隐杆线虫细胞形态数据进行可视化和分析，可展示多种细胞信息，为研究提供便利。
- 一个用于可视化胚胎细胞形态、细胞间接触和细胞分辨的线性基因表达的交互式网络平台：开发的 CMOS 网站整合了形态数据和基因表达谱，可直观展示基因表达与细胞形态的关系，有助于深入研究基因功能。
在研究结论与讨论部分，研究人员构建的平台和形态图具有重要意义。该平台在多个方面超越了以往的研究，如细胞分割算法的改进、转基因品系的构建、成像方法的优化以及软件和网站的开发等。通过这个平台，研究人员不仅确认了现有信号相互作用，还发现了新的信号相互作用，揭示了多种机制对细胞大小不对称的调节。此外，该形态图为研究胚胎发育过程中的诸多关键问题提供了宝贵资源，有望推动对动物发育机制的深入理解。不过研究也存在一定局限性，如部分细胞数据缺失等，这为后续研究指明了方向。总体而言，这项研究为发育生物学领域带来了新的突破，为深入探究细胞命运分化和形态发生机制奠定了坚实基础。
