新研究發現，利用單細胞轉錄組學來追蹤胚胎發育

近日，兩項發表在《Nature》雜志上的新研究突出了單細胞轉錄組學技術的潛力，可協助人們追蹤發育中的模式生物的細胞和分子表型。

Single-cell, whole-embryo phenotyping of mammalian developmental disorders

在**項研究中，德國基爾大學、馬斯克普朗克分子遺傳學研究所和美國華盛頓大學西雅圖分校等機構的研究人員利用單細胞RNA測序技術，對101個小鼠胚胎（E13.5）中的160多萬個細胞核進行分析。這些胚胎代表了4種野生基因型和22種突變基因型，后者代表了不同嚴重程度的表型缺陷。

從2011年開始，國際小鼠表型分析聯盟（International Mouse Phenotyping Consortium）致力于構建數千個基因敲除小鼠品系，以此來實現小鼠中每個蛋白編碼基因的“功能化”。“原則上，這里介紹的全胚胎scRNA-seq表型分析方法可以擴展到所有的孟德爾基因，”作者寫道。

在幾種分析算法的幫助下，研究人員利用小鼠發育胚胎的單細胞轉錄組特征來追蹤突變小鼠的數十種細胞類型的特異性基因表達和發育軌跡。他們還利用之前構建的小鼠器官發生細胞圖譜（E9.5至E13.5）來驗證分期。

共同通訊作者、基爾大學人類遺傳學研究所所長Malte Spielmann表示：“在這項研究中，我們采用了一種完全無偏的方法，通過100多個胚胎的單細胞RNA測序，對整個胚胎進行分析。”

他指出，顯微鏡和組織學等傳統的表型分析方法跟不上基因編輯或基因敲除策略的步伐。相比之下，他們使用的全胚胎表型分析方法確實可以測定敲除或改變單個小鼠基因對多個器官造成的影響，而以往的老方法可能會遺漏這些多重效應。

研究人員發現，在此次分析的部分突變胚胎中，數十種細胞類型的軌跡徹底改變，但在其他的突變胚胎中，變化則更加細微，只涉及到有限的細胞亞群。

同樣地，他們還指出，檢測到的胚胎間差異并不局限于突變小鼠的基因型。相反，他們的結果凸顯了不同野生基因型胚胎之間的差異，同時還闡明了與功能缺失改變、功能獲得改變、缺失及其他變異有關的表型特征。

研究人員報告稱，“我們的研究結果表明，通過對整個胚胎進行單細胞分析，能夠以前所未有的廣度和分辨率對突變小鼠進行分子和細胞表型的系統表征。”

在第二項研究中，華盛頓大學西雅圖分校領導的研究團隊采用胚胎條形碼、多重分析和單細胞核RNA測序策略來評估發育中的斑馬魚模型，鑒定出33種主要組織中的99種細胞類型和156種細胞亞型。

研究人員在文中寫道：“與傳統的表型分析策略相比，我們可擴展的方法靈活、全面、經濟且更加均一。我們預計，這種新的實驗和分析流程能夠對整個動物進行高分辨率的快速表型分析，從而更好地了解發育生物體的各個細胞類型的遺傳依賴關系。”

這項工作囊括了1,812個斑馬魚胚胎中約320萬個細胞，覆蓋19個時間點，其中既包含野生型胚胎，也包含帶有23種不同遺傳改變的胚胎。

“我們的研究具有高度的可重復性（每種條件有8個或以上的胚胎），這使得我們能夠估計整個生物體內細胞類型豐度的差異，并檢測遺傳擾動造成的細胞類型組成差異（相對于野生型胚胎），”作者解釋說。

通過深入分析單細胞轉錄組圖譜、細胞類型豐度差異數據、差異表達基因及胚胎的其他特征，研究人員發現了遺傳擾動的后果，同時獲得了相關發育過程的新線索。

研究人員認為，隨著研究界不斷積累整個胚胎的單細胞轉錄表型，利用計算和統計工具來發現脊椎動物基因組如何控制發育的潛力將會越來越大。

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