通过新的分子图谱揭示人类细胞如何生长和发育

艺术家对两种细胞图谱的创建的解释，这些图谱可追踪人类细胞类型和组织发育过程中的基因表达和染色质可及性。该地图集在11月12日的《科学》杂志上有报道。它们是由位于西雅图的Brotman Baty精密医学研究所和UW Medicine开发的。

随着细胞分化成不同的细胞类型和组织，这两个图谱映射了基因的表达和可用性。

西雅图Brotman Baty研究所的UW Medicine研究人员创建了两个细胞地图集，用于追踪人类细胞类型和组织发育过程中的基因表达和染色质可及性。

一本图谱将15个胎儿组织的个体细胞内的基因表达图谱化。第二套图谱描绘了细胞内单个基因的染色质可及性。

这些地图集在一起，为理解人类发展中的基因表达和染色质可及性提供了规模空前的基础资源。此外，这两篇论文中描述的技术使得有可能生成有关数百万个细胞的基因表达和染色质可及性的数据。

在11月13日出版的《科学》杂志的背对背出版物中描述了这些地图集。除了BBI和UW Medicine，Illumina，Inc.，亚利桑那大学，弗雷德·哈钦森癌症研究中心，马克斯·普朗克分子遗传学研究所和罗切斯特大学医学中心的其他合作者也为这些研究做出了贡献。

基因表达图谱

基因表达是细胞利用其DNA中存储的指令指导蛋白质合成的过程。这些蛋白质反过来决定了细胞的结构和功能。基因表达图谱绘制了基因表达在不同细胞类型中生长和发育的位置和时间。

“从这些数据中，我们可以直接生成人类组织中所有主要细胞类型的目录，包括这些细胞类型在组织中的基因表达可能如何变化，”主要作者曹俊跃说。他在杰伊·申杜尔（Jay Shendure）的实验室担任博士后研究员，完成了这项工作，当时是威斯康星大学医学院的基因组科学教授，霍华德·休斯医学研究所的研究员以及布罗特曼·巴蒂研究所的科学主任。曹现在是洛克菲勒大学的助理教授。

Shendure说：“该领域的首要目标是尽可能广泛地描述人类中存在的遗传程序，并以尽可能高的分辨率进行描述。”

为了创建图集，研究人员通过使用一种称为sci-RNA-seq3的技术在15种类型的胎儿组织中分析了基因表达。这项技术使用三个DNA“条形码”的独特组合来标记每个细胞，从而使研究人员无需物理分离即可跟踪细胞。

一旦获得序列，他们就使用计算机算法来恢复单细胞信息，按类型和亚型对细胞进行聚类，并确定其发育轨迹。科学家们分析了超过400万个单细胞，并鉴定出77种主要细胞类型和大约650种细胞亚型。

他们还将地图集与现有的小鼠胚胎发育地图集进行了比较。UW医学院基因组科学副教授，Brotman Baty研究所研究员，共同作者Cole Trapnell解释说：“当我们将这些数据与以前发表的数据结合在一起时，我们可以直接描绘出所有主要细胞的细胞发育路径类型。”

DNA可及性地图集

第二本关于DNA可及性的地图集，绘制了称为染色质的材料的图谱，该材料可以将DNA紧密地包装到细胞核中。染色质可以对读取DNA编码的遗传指令的分子机器开放和“接近”，也可以对“封闭”不开放。知道打开和关闭的DNA区域可以告诉细胞如何选择打开和关闭基因。

共同资深作者达伦·库萨诺维奇（Darren Cusanovich）曾是Shendure实验室的博士后研究员，现在是亚利桑那大学的助理教授，他说，研究染色质可以使您感觉到细胞的调控“语法”。“开放或可访问的短段DNA富含某些'单词'，而这些单词反过来又是细胞指定其需要某些基因的基础。”

为了描述个体细胞中DNA的可及性，科学家们开发了一种新的方法，称为sci-ATAC-seq3。像sci-RNA-seq3一样，该技术还在每个细胞中使用三种不同的DNA“条形码”来标记和跟踪个体细胞。但是，sci-ATAC-seq3并没有识别所有当前表达的序列，而是捕获并打开了染色质位点。

在这项研究中，科学家在15个胎儿组织的约100万个位置上生成了近80万个单细胞染色质可及性概况。他们询问了哪些蛋白质可能与每个细胞中可及的DNA位点相互作用，以及这些相互作用如何解释细胞类型。该分析定义了用于基因组内发育的控制开关。他们还确定了可能与疾病相关的染色质可及性位点。

“这告诉我们基因组的哪些部分可能起作用。我们仍然不知道未编码基因的基因组中有多少百分比可以参与基因调控。现在，我们的地图集提供了有关多种细胞类型的信息。”可访问性地图集论文的共同主要作者，Shendure实验室的博士后研究员Silvia Domcke说。DNA可及性研究的其他主要作者是安德鲁·希尔（Andrew Hill），她曾是Shendure实验室的计算生物学家，现在是10x Genomics的科学家，以及Rind Daza，Shendure实验室的研究科学家。

参考：

“胎儿基因表达的人类细胞图谱”，曹俊月，戴安娜·奥戴，汉娜·普林纳，保罗·金斯利，梅登，里扎·达扎，迈克尔·扎格，金伯利·艾丁格，罗尼Blecher-Gonen，Fan Zhang，Malte Spielmann，James Palis，Dan Doherty，Frank J.Steemers，Ian A.Glass，Cole Trapnell和Jay Shendure，2020年11月13日，科学.DOI：
10.1126 / science.aba7721

Silvia Domcke，Andrew J. Hill，Riza M. Daza，Junyue Cao，Diana R.O'Day，Hannah A. Pliner，Kimberly A. Aldinger，Dmitry Pokholok，Fan Zhang，Jen​​nifer撰写的“染色质可及性人类细胞图集”米尔班克（H. Milbank），迈克尔·扎格（Michael A.Zager），伊恩·格拉斯（Ian A.Glass），弗兰克·J·施特默斯（Frank J.Steemers），丹·多赫蒂（Dan Doherty），科尔·特拉普内尔（Cole Trapnell），达伦·A·库萨诺维奇（Darren A.Cusanovich）和杰伊·申杜尔（Jay Shendure），2020年11月13日，科学.DOI：
10.1126 / science.aba7612

这些研究的组成部分由Brotman Baty研究所，Paul G. Allen Frontiers基金会，Chan Zuckerberg倡议，Hpward Hughes医学院和美国国立卫生研究院资助。