通过空间和时间追踪RNA的新方法

【字体: 时间:2021年06月09日 来源:Nature Communications

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  MDC的一个研究小组已经成功地在一个单细胞斑马鱼胚胎中通过空间和时间追踪基因——甚至在细胞分裂发生之前。他们现在在《自然通讯》杂志上描述了一种方法,这种方法可能让科学家有一天能够测量细胞对药物的反应,比如类器官。

  

 

   

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图:单细胞斑马鱼胚胎:MDC研究实验室在这个发育的早期阶段发现了许多局部基因。它们的大部分遗传信息流入后一种细胞的前体细胞…

资料来源:AG Junker, MDC

“生命的奇迹”最开始是最明显的:受精卵细胞通过沟槽分裂成卵泡,包裹在羊膜囊中,展开形成胚层。当卵裂球开始分化成不同的细胞时——当它们最终发育成一个完整的有机体时。

简·菲利普·容克博士说:“我们想知道不同细胞之间的后期差异是否已经部分地与受精卵细胞相连。”他是Helmholtz协会(MDC) Max Delbrück分子医学中心柏林系统生物学研究所(BIMSB)数量发育生物学实验室的负责人。容克和他的团队正在研究细胞是如何做出决定的,以及是什么决定了它们是成为神经细胞、肌肉细胞还是皮肤细胞。这包括创建细胞谱系树,使他们能够确定来自一个生物体的数千个单个细胞的谱系和细胞类型。利用这些谱系树,他们可以了解细胞是如何以及通过何种机制聚集在一起形成一个有功能的有机体,或者它们是如何应对扰动的。

不同细胞类型的蓝图已经存在于单细胞胚胎中

然而,通过细胞谱系树来寻找线索的研究开始于一个较晚的阶段,即细胞分裂和分化已经开始的阶段。更重要的是,这些观测涵盖了很长一段时间。在当前的研究中,刚刚发表在《自然通讯》破车和他的团队集中在很短的时间内:受精后的第一个小时,从一个细胞阶段的原肠胚形成过程-胚芽层的形成的胚胎。科学家们想知道,单细胞胚胎是否已经包含了后来由其发展而来的多种不同细胞类型的蓝图的部分。为此,他们研究了斑马鱼和爪蛙胚胎。研究人员此前成功地找到了单个基因,这些基因的RNA定位于单细胞斑马鱼胚胎中的特定位置。柏林的科学家们现在已经证明,还有更多这样的基因。该研究的主要作者卡罗琳·霍勒(caroline Holler)解释说:“我们发现的受精卵中RNA空间定位的基因数量是以前所知的10倍。”“这些RNA分子中的许多随后被运送到原始生殖细胞中。这意味着随后细胞分化的程序是硬连接到受精卵细胞中的。”

转录组学的新方法

最先进的单细胞转录组学方法为细胞分化提供了一个很好的理解。科学家根据细胞转录组的相似性(转录组是一个细胞中RNA分子的完整集合)来排列单个细胞,并可以利用出现的模式来破译细胞是如何变成现在这样的。然而,他们不能用这种方法重建胚胎发育的最初阶段,因为在这一阶段,RNA分子的空间排列是至关重要的。他的团队使用了一种叫做tomo-seq的专业技术,这是2014年容克在荷兰Hubrecht研究所开发的。它使科学家能够在空间上跟踪细胞内的RNA分子。这是通过将模型生物的胚胎切成薄片来实现的。然后就有可能读取切割表面上的RNA谱,并将其转化为空间表达模式。Holler改进了tomo-seq技术,现在可以测量受精卵细胞内转录组的空间分布。

科学家们使用了另一种新技术来研究哪些定位的基因后来对哪些细胞起作用。“我们对RNA分子进行了标记,以便能够跟踪它们在不同的发育阶段。这使得我们不仅可以在空间层面观察RNA,还可以在一段时间内观察RNA,”容克解释说。通过这种方式,科学家们可以区分由母亲转移到胚胎的RNA和由胚胎本身产生的RNA。这种被称为scSLAM-seq的RNA标记方法在BIMSB的Markus Landthaler教授和Nikolaus Rajewsky教授的实验室进行了微调,使其能够应用于活斑马鱼。Junker解释说:“标记RNA分子使我们能够高精度地测量基因表达在单个细胞中的变化,例如,在实验干预之后。”

药物如何影响细胞分化?

RNA标记为研究药物治疗的作用机制等问题开辟了全新的途径。“我们可以在类器官中使用它来研究不同细胞类型对物质的反应,”这位物理学家解释说。容克说,这种方法不适合长期的变化过程。“但我们可以看到哪些基因在治疗后5至6小时内发生变化,这为理解我们可能如何影响细胞分化提供了一条途径。”

空间分析也有医学意义:展望未来,它可能有助于研究那些由错误定位的RNA导致的疾病,如癌症或神经退行性疾病。在这类疾病中,大量分子通过细胞转运。“如果我们了解了这些运输过程,那么我们就可以确定这些疾病的风险因素,”Holler解释说。但就目前而言,这还有很长的路要走。“在单细胞斑马鱼胚胎被用作研究人类神经退行性疾病的模型系统之前,还有很多工作要做,”容克强调。

科学家们接下来想要揭示RNA定位的相关机制:检测到的RNA与细胞中其他转录物有何不同?容克的团队计划与国际BIMSB的Irmtraud Meyer教授的实验室合作,研究定位RNA的序列特征。在算法的帮助下,他们希望能预测这些局部基因是否具有二维或三维折叠。他们还在进一步发展他们的方法,以便可以用于除单细胞斑马鱼胚胎之外的其他系统。

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科学的联系

Dr. Jan Philipp Junker Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB) Max Delbrück Center for Molecular Medicine in the Helmholtz Association (MDC) Tel.: +49-(0)30-9406-2118 Email: janphilipp.junker@mdc-berlin.de

Karoline Holler柏林医学系统生物学研究所(BIMSB) Max Delbrück Helmholtz协会分子医学中心Tel: +49-(0)30-9406-1571 Email: karoline.holler@mdc-berlin.de

Max Delbrück分子医学中心(MDC)

The Max Delbrück Center for Molecular Medicine in The Helmholtz Association (MDC)是世界领先的生物医学研究机构之一。马克斯Delbrück,柏林人,诺贝尔奖得主,分子生物学的创始人之一。在民主变革运动位于柏林-布赫和米特的研究中心,来自大约60个国家的研究人员分析了人类系统——从最基本的构建模块到整个系统的机制,研究了生命的生物学基础。通过了解是什么调节或破坏了一个细胞、一个器官或整个身体的动态平衡,我们可以预防疾病,更早地诊断它们,并通过量身定制的治疗阻止它们的发展。患者应该尽快从基础研究发现中获益。因此,MDC支持派生创建,并参与协作网络。它与Charité - Universit?tsmedizin Berlin在联合运营的实验和临床研究中心(ECRC)、柏林卫生研究所(BIH) (Charité)和德国心血管研究中心(DZHK)密切合作。争取民主变革运动成立于1992年,目前有1600名雇员,90%由德国联邦政府资助,10%由柏林州政府资助。http://www.mdc-berlin.de

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