新研究精確描繪小鼠胚胎發(fā)育過程的表達譜

華盛頓大學(xué)和杰克森實驗室的研究人員近日完成了一項有里程碑意義的研究，他們詳細描繪了從單個受精細胞發(fā)育成復(fù)雜生物體的一系列事件。

這篇題為“A single-cell time-lapse of mouse prenatal development from gastrula to birth”的論文于2月發(fā)表在《Nature》雜志上。它不僅讓研究團隊能夠探索哪些基因驅(qū)動了數(shù)百種細胞類型的分化，還**表明，在新生兒出生后的一小時內(nèi)，基因活性發(fā)生了迅速變化，凸顯了新生兒必須快速適應(yīng)環(huán)境。

共同**作者、杰克森實驗室的科學(xué)家Ian Welsh博士表示：“單細胞數(shù)據(jù)集的規(guī)模非常龐大。” Welsh博士以及杰克森實驗室的副教授Stephen Murray博士在胚胎形態(tài)發(fā)生方面有著豐富的知識。他們共同設(shè)計了按發(fā)育階段來收集樣本的策略。

小鼠是一種出色的模型系統(tǒng)，它既有遺傳上的可操作性，又在進化上與人類有著密切的關(guān)系。小鼠的妊娠期僅為3周，從單細胞發(fā)育成5億多個細胞。在此期間，基因組精心安排了從受精卵到幼鼠的驚人轉(zhuǎn)變。

華盛頓大學(xué)Jay Shendure博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊詳細描繪了這一過程的細節(jié)。他們對來自83個胚胎的1240萬個細胞核進行分析，這些胚胎覆蓋從胚胎后期（胚胎第8天）到出生（出生后第0天）的產(chǎn)前發(fā)育階段。

研究人員對每個細胞核中的mRNA進行測序，以確定細胞正在表達哪些基因以及這些基因的活性，最終構(gòu)建出一棵從受精卵到出生的細胞類型關(guān)系樹。

小鼠胚胎發(fā)育通常是在卵子受精后以24小時為單位進行研究的。這項研究的與眾不同之處在于以2到6小時的時間間隔對胚胎進行精確分期，以此來提高分析的分辨率。然而，妊娠時間與發(fā)育階段并不嚴(yán)格相關(guān)，不同的胚胎在不同時間達到發(fā)育的里程碑，同一窩胚胎也是如此，這使得任務(wù)變得更加復(fù)雜。

Welsh博士稱：“我們對項目的貢獻在于嚴(yán)格的樣本采集，以及在‘絕對’發(fā)育時間內(nèi)對樣本進行精確分期。試想一下，就像將每一幀單獨的畫面粘在一起，試圖構(gòu)建出一部長篇電影。每一幀畫面的時間越準(zhǔn)確，重建電影的過程就越準(zhǔn)確。”

在發(fā)育過程中，新的細胞類型大多是逐漸形成的，相鄰時間點的細胞混合良好。讓人驚訝的是從晚期胎兒到新生兒的過渡。在出生后一小時內(nèi)，某些細胞類型（如腎臟、棕色脂肪等）的基因活性迅速發(fā)生了變化。這些結(jié)果強調(diào)了哺乳動物胎兒成功過渡到子宮外生活必須經(jīng)歷的巨大變化。

這些研究結(jié)果也為今后的研究指明了方向。例如，更好地了解嬰兒出生后的適應(yīng)功能及其機制有助于解釋剖腹產(chǎn)和順產(chǎn)嬰兒在健康結(jié)局上的差異。研究人員希望將這一框架擴展到出生后的各個時間點，最終形成一幅哺乳動物從受孕到死亡的單細胞延時圖像。

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