單細胞表達模式的4D可視化圖像。
在胚胎髮育過程中，一顆受精卵如何發育成各種不同類型的細胞？這是生物學中最基本的問題之一。雖然回答這個問題對於理解多細胞生物的形成至關重要，但是在單細胞、全基因組和整個胚胎水平上研究細胞多樣化的發育機制一直是一項極具挑戰的任務。
“胚胎髮育需要多種不同的細胞類型，這些細胞的形成是由基因表達程序指導的。然而到目前為止，我們對基因表達程序還缺乏全面的瞭解，針對單細胞水平胚胎髮育的完整描述尚未實現。”本研究的第一作者、曾在德國海德堡歐洲分子生物學實驗室做博士後的Hanna Sladitschek博士解釋道。
近日，來自德國海德堡歐洲分子生物學實驗室（EMBL）的科學家們在《細胞》雜誌上發表論文稱，他們通過構建海鞘（Phallusia mammillata）的“虛擬胚胎”，描述了胚胎髮育早期細胞分裂時每個細胞的基因表達和形態，展示了從1個細胞到64個細胞的變化過程。這是科學家們第一次在單細胞水平上對早期胚胎髮育完整過程進行描述。
海鞘是一種海洋生物，棲息於地中海和大西洋。它屬於脊索動物門，與脊椎動物具有親緣關係，且每個個體都有相同數量的細胞，方便科學家們從多個樣本中收集觀察結果。
為了生成胚胎髮育完整的單細胞圖譜，研究人員結合了高分辨率的單細胞轉錄組學和光片成像技術。研究發現，在海鞘胚胎的第七次細胞分裂之後，神經索、大腦、生殖細胞、血細胞前體和肌肉的命運就已經被確定了。因此，這項研究展示的從1到64個細胞的變化過程，完整地描述了細胞命運決定前早期胚胎髮育中每個細胞的狀態，包括基因表達和空間位置。
EMBL的研究組組長Pierre Neveu博士說：“我們的模型顯示，可通過分析單個細胞的基因表達以瞭解其空間位置和發育歷史。此外，我們還發現，雖然胚胎中基因表達的調控是非常精確的，但發育時間的差異會導致個體胚胎之間的差異。”
基因表達通常被認為是一個嘈雜的過程，充滿了隨機因素。而新的結果表明，特定胚胎細胞間的基因表達具有顯著的可重複性和協調性。“這種協調是如何實現的？”Neveu說，這個新問題值得科學家們進一步思考研究。
論文的合作者Lars Hufnagel說：“我們的研究代表了發育基因組學這一新興領域的一次飛躍。現在我們研究的是隻有少量細胞的海鞘，將來針對擁有大量細胞的哺乳動物的研究將會更加有趣！”
原創編譯：花花審稿：西莫責編：鄧可
期刊來源：《細胞》
期刊編號：0092-8674
原文鏈接：https://phys.org/news/2020-04-unprecedented-single-cell-virtual-embryo.html
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