在胚胎髮育過程中，單細胞受精卵如何發育成許多不同細胞類型的多細胞有機體。這是生物學最基本的問題之一。然而，在單細胞、全基因組和全胚胎水平上研究這種細胞多樣性的發展機制仍具有挑戰性。
近日，來自歐洲分子生物學實驗室和帕多瓦大學醫學院的研究人員通過構建海鞘（Phallusia mammillata）的“數字化虛擬胚胎”，結合單細胞轉錄組學和光片成像技術，首次完整繪製了胚胎髮育中單細胞基因表達4D圖譜。研究結果發表在4月20日的《Cell》雜誌上。
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.03.055
海鞘是一種海洋生物，之所以選擇它，是因為它結合了脊椎動物的基因組複雜性和胚胎細胞多樣性，而且每個個體都有相同數量的細胞，這使得從許多標本中收集觀察結果變得更容易。
這個“虛擬胚胎”描述了胚胎在發育早期的每個細胞分裂階段的每一個細胞的基因表達和形態，展示了從一個單細胞到64個細胞的進化過程。在最初的七次細胞分裂之後，未來的神經、大腦、生殖細胞、血細胞前體和肌肉的命運已經被確定了。這使它成為第一個完整地描述胚胎每一個細胞早期發育藍圖。它描述了基因表達(細胞的遺傳信息是如何表達和顯示的)和空間位置。為了生成這個完整的圖譜，研究人員將高分辨率的單細胞轉錄組學和光片成像技術結合起來。
歐洲分子生物學實驗室的Pierre Neveu說:“我們的模型顯示，通過分析單個細胞的基因表達，就有可能知道它的空間位置和譜系歷史。此外，雖然胚胎中基因表達的調控在非常精確，但發育時間的差異可以解釋單個胚胎之間觀察到的差異。”
基因表達通常被認為是一個隨機性的過程，然而新的研究結果表明，它在一個特定胚胎的細胞間具有顯著的可複製性和協調性。如何實現這種協調，需要進一步研究。
帕多瓦大學醫學院的Hanna Sladitschek博士說:“我們的研究代表了發育生物學這一新興領域的一次飛躍。既然我們研究的是一種只有少量細胞的有機體，那麼把我們的研究擴展到哺乳動物身上當然會很有趣，因為哺乳動物有更多的細胞！”
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參考資料：
[1] Unprecedented single-cell studies in virtual embryo.
[2]Cell | 單細胞轉錄組揭示脊索動物原腸胚動態形成過程.
[3] 《Cell》新研究：為了觀察胚胎髮育，科學家制造了一個“虛擬胚胎”.
