路線(xiàn)圖追蹤胚胎發(fā)育的軌跡

科學(xué)家們已經(jīng)繪制出關(guān)鍵的分子變化，這些變化協(xié)調(diào)胚胎小鼠細(xì)胞如何分化成不同的細(xì)胞類(lèi)型，最終形成成年動(dòng)物的所有不同組織和器官。

基因組科學(xué)教授杰伊·申杜爾 (Jay Shendure) 表示，這種小鼠胚胎發(fā)生的“路線(xiàn)圖”將幫助研究人員了解控制不同特化細(xì)胞類(lèi)型如何從分化程度較低的細(xì)胞中出現(xiàn)的分子程序，因?yàn)榕咛ゲ粌H對(duì)小鼠而且對(duì)人類(lèi)而言都是如此。在華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院，Brotman Baty 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究所科學(xué)主任和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員。

“我們以單細(xì)胞合子的形式開(kāi)始生活，而該細(xì)胞在短短幾周或幾個(gè)月內(nèi)分裂并分化成數(shù)百種細(xì)胞類(lèi)型，”Shendure 指出。“所以，問(wèn)題是：這是怎么發(fā)生的?細(xì)胞采取什么途徑?形成這些決定的基因是什么?”

研究人員今天在《自然遺傳學(xué)》雜志上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。Shendure 實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算生物學(xué)家和博士生邱承祥是該論文的第一作者，

為了繪制出這一過(guò)程，Shendure 和他的同事利用了從小鼠研究中收集的公開(kāi)數(shù)據(jù)，這些研究使用了一種稱(chēng)為單細(xì)胞 RNA 測(cè)序 (scRNA-seq) 的技術(shù)。

這項(xiàng)技術(shù)使科學(xué)家能夠識(shí)別和量化單個(gè)細(xì)胞內(nèi)不同信使 RNA 分子的水平。因?yàn)檫@些 mRNA 是從激活的基因中復(fù)制而來(lái)的，所以它們?cè)诩?xì)胞中的存在表明了哪些基因在給定的時(shí)間點(diǎn)是活躍的。

為了補(bǔ)充這些數(shù)據(jù)，研究人員還使用了從小鼠胚胎發(fā)育第 8 天開(kāi)始的關(guān)鍵 24 小時(shí)內(nèi)每?jī)尚r(shí)采樣一次的大約 150,000 個(gè)胚胎小鼠細(xì)胞核產(chǎn)生的 scRNA-seq 數(shù)據(jù)。

邱結(jié)合這些數(shù)據(jù)，并在調(diào)整它們以考慮不同研究人員使用的技術(shù)差異后，確定了從小鼠胚胎發(fā)育的第 3.5 天到第 13.5 天的 19 個(gè)階段的胚胎細(xì)胞狀態(tài)，當(dāng)時(shí)大多數(shù)關(guān)鍵胚胎結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)。在小鼠中，從單細(xì)胞受精卵到活產(chǎn)幼崽的妊娠只需要 21 天。

生成的地圖追蹤了細(xì)胞發(fā)育和分化成不同細(xì)胞類(lèi)型時(shí)基因活性的變化。邱說(shuō)，特別令人感興趣的是關(guān)鍵調(diào)節(jié)蛋白基因的活性，稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄因子，它協(xié)調(diào)細(xì)胞生長(zhǎng)、發(fā)育和功能。

“隨著胚胎發(fā)生的進(jìn)行，細(xì)胞會(huì)像樹(shù)枝一樣分支成不同的細(xì)胞類(lèi)型，”邱說(shuō)。“在這些分支點(diǎn)活躍的轉(zhuǎn)錄因子往往對(duì)新的細(xì)胞類(lèi)型具有特異性。”邱指出，另一方面，一些轉(zhuǎn)錄因子在許多不同的細(xì)胞類(lèi)型中似乎都很活躍，這表明它們?cè)谡{(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和功能方面發(fā)揮著更普遍的作用。

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