在空间和时间上追踪细胞RNA的新方法

柏林Max Delbrück分子医学中心的研究人员开发了一种新方法，可以在单细胞斑马鱼胚胎中通过空间和时间追踪基因。这种方法也许有一天能让科学家监测细胞对类器官药物的反应。

每一个生物都从一个细胞开始它的旅程，以令人难以置信的规模分化和专门化。第一个细胞的发育信息是通过母体分子信息(mRNA)的位置和运动来传递的。但是，到目前为止，由于缺乏收集mRNA时间和位置信息的方法，对这些流动和短暂过程的系统分析一直受阻。

科学家们利用最先进的单细胞转录组学，根据单个细胞中RNA分子的相似性排列单个细胞，从而确定了正在出现的发育模式。然而，这种方法不能重建胚胎发育的早期阶段，在那里信息被嵌入到RNA分子的空间排列中。

一项新的研究结合了空间解析转录组学和单细胞RNA标记，对单细胞斑马鱼和青蛙胚胎发育最初几个小时的转录组总数进行了时空实验。分析显示，在胚胎的单细胞阶段，就已经存在不同细胞类型的蓝图。

这些发现发表在《自然通讯》杂志上的文章“早期斑马鱼胚胎的时空mRNA跟踪”中。

“我们想找出不同细胞之间的后期差异是否与受精卵细胞有关，”Jan Philipp Junker博士说，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。

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。目前的研究表明，还有更多这样的基因。

研究人员通过改进tomo-seq方法，以高空间分辨率测量单细胞阶段的斑马鱼胚胎中的RNA定位。tomo-seq是一种从冷冻的序列切片中提取RNA，进行条形码和测序的方法。

利用这种新方法，作者追踪了单个mRNA分子的位置，并确定了一类专门位于胚胎植物极的mRNA，植物极是形成胚胎外结构(如卵黄囊)的部位。

科学家们比较了两个?这表明，在这三个物种中，植物极的大量转录本和序列基序的位置在进化上都是保守的。

该小组还建立了一个高通量方法和单细胞RNA标签在斑马鱼早期胚胎的命运,使他们能够遵循个人孕产妇mRNA直到gastrulation-the首次大规模发展里程碑的胚胎空间分为三个胚layers-ectoderm,中胚层和内胚层。这种新方法揭示了许多局部转录本被特异性地运输到原始生殖细胞-产生精子和卵子的短暂胚胎细胞。

该研究的主要作者卡罗琳·霍勒博士解释说:“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。”“许多这些RNA分子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。”

“我们对RNA分子进行了标记，以跟踪它们在不同的发育阶段的情况。这使得我们不仅可以在太空中观察RNA，还可以在一段时间内观察RNA，”容克说。

这种被称为scSLAM-seq的RNA标记方法使科学家能够区分由母体转移到胚胎的RNA和由胚胎本身产生的RNA。该方法在BIMSB的Markus Landthaler博士和Nikolaus Rajewsky博士的实验室进行了改进，使其能够应用于活斑马鱼。

这种新的RNA标记方法的影响超出了目前的研究。“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，”容克说。虽然不适合长期可视化动态过程，但它可以用于观察治疗后5 - 6小时内基因表达的变化，因此可能应用于药物发现。

空间分析也适用于研究由分子转运缺陷引起的疾病，如癌症或神经退行性疾病。Holler说:“如果我们了解了这些运输过程，我们可能能够识别这些疾病的风险因素。”

“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，”容克说。

该团队下一步的工作重点是研究RNA定位的机制。他们正在改进他们的方法，以便它也能用于其他系统。