科学家们在分子水平上对正在发育的线虫胚胎的细胞进行了分类。在这个可视化的数据集中，每个点代表一个细胞，颜色代表该细胞来自的胚胎时期（橙色=早期，绿色=中期，蓝色/红色=晚期），这些点的排列方式使具有相似转录组的细胞彼此靠近。这样，数据集就形成了各种各样的“轨迹”，对应于组织和单个细胞类型。
在9月5日发表于《科学》杂志上的一篇论文中，美国宾夕法尼亚大学的研究人员首次详细描述了动物胚胎发育过程中每个细胞是如何变化的。这项研究由佩雷尔曼医学院的John I. Murray、文理学院的Junhyong Kim和华盛顿大学的Robert Waterston领导，他们利用单细胞生物学新兴领域的最新技术，对8万多个秀丽隐杆线虫胚胎细胞进行了鉴定。
“在过去的几年里，新的单细胞基因组学方法已经彻底改变了动物发育的研究。”Murray说，“我们的研究利用了秀丽隐杆线虫胚胎的细胞很少，而且是由已知且完全可复制的细胞分裂模式产生的这一优势。通过单细胞基因组学，我们识别了来自原肠胚形成（当时大约有50个细胞）直到胚胎发育结束时超过87%的胚胎细胞。”
秀丽隐杆线虫的体内只有558个细胞。在多细胞生物中，每个细胞都是由一个受精卵细胞分裂而来，形成一个类似于家谱的“细胞谱系树”，展示了每个细胞的分裂历史，并描述了它们之间的关系。Sydney Brenner、H. Robert Horvitz和John Sulston在40多年前因绘制出了秀丽隐杆线虫的细胞谱系树而共同获得了诺贝尔奖，他们的研究成果表明，每只秀丽隐杆线虫都是通过相同的细胞分裂模式发育的。
为了进一步阐明线虫的发育过程，研究小组利用单细胞基因组学的方法，通过测量单个细胞在发育过程中的转录组（一个细胞中的所有RNA），在分子水平上描述了发生的事件。这些方法使科学家们能够在成千上万的细胞中，确定哪些基因被激活表达，并根据它们在基因的类似子集中的表达来识别罕见的细胞类型。然而，在这些研究中，我们很难知道是否所有的细胞类型都已被识别，或者这些被识别的细胞是如何通过细胞分裂相互关联的。
主要作者、华盛顿大学的Jonathan Packer和宾夕法尼亚大学的Qin Zhu开发了复杂的数据分析程序和算法，跟踪了转录组的变化以及细胞谱系树的时间序列，揭示了产生秀丽隐杆线虫整个身体所需分子变化的详细动态。由此产生的数据集将为数千个以秀丽隐杆线虫作为模型生物进行研究的实验室提供强大的工具，也加强了仅使用单细胞基因组学来推断其他物种细胞之间关系的局限性。
这项研究有助于揭示细胞在发育过程中如何特化其功能的基本机制。例如，具有非常不同谱系历史的细胞可以迅速靠拢到相同的分子状态，变得不再能够被区分。研究人员还发现，在分化过程中，一些细胞的转录组发生了惊人的快速变化。此外，这项工作将有助于再生医学和细胞工程的应用，例如在使用自体细胞进行治疗过程中控制细胞的分化。
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编译：花花 审稿：三水 责编：张梦
期刊来源：《科学》期刊编号：0036-8075
原文链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-09/uop-am090519.php
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