研究人员在发育中的动物胚胎中创建每个细胞的分子图

在《科学》（Science）上发表的一篇新论文中，正在发展的线虫蠕虫胚胎的每个细胞都在分子水平上进行了分类。在此数据集的可视化中，每个点代表一个单元格，其颜色代表其来源的胚胎的年龄（橙色=早期，绿色=中，蓝色/红色=晚期），点的排列方式使得具有相似的转录组彼此靠近。以这种方式可视化，数据形成了与组织和个体细胞类型相对应的各种细“轨迹”。

宾夕法尼亚大学艺术与科学学院和佩雷尔曼医学院的研究人员提供了动物发育的分子“图谱”，即发育中的动物胚胎中每个细胞的分子图。

宾夕法尼亚大学的研究人员在本周的科学杂志上发表了一篇论文，该论文首次详细介绍了动物胚胎发育过程中每个细胞如何变化的分子特征。由Perelman医学院约翰·I·默里实验室，艺术与科学学院的Junhyong Kim和华盛顿大学（UW）的罗伯特·沃特斯顿实验室领导的这项工作使用了单细胞生物学新兴领域的最新技术。在线虫Caenorhabditis elegans线虫的胚胎中分析了80,000多个细胞。

“在过去的几年中，新的单细胞基因组学方法彻底改变了动物发育研究，” Murray说。我们的研究利用了 C.秀丽隐杆线虫的胚胎具有很少数量的细胞，这些细胞是通过已知且完全可复制的细胞剪裁模式产生的。使用单细胞基因组学方法，我们能够鉴定出从胚芽形成到结束为止的胃胚形成过程中超过87％的胚胎细胞（当存在约50个细胞时）。

C。线虫是一种在体内仅孵化558个细胞的动物。在多细胞生物中，每个细胞都通过细胞切割从单个受精卵中衍生而来，形成了一个“细胞谱系树”，该树显示了每个细胞的切割历史，并描述了它们彼此之间的关系，类似于家谱。悉尼·布伦纳（Sydney Brenner），罗伯特·霍维茨（H. Robert Horvitz）和约翰·苏尔斯顿（John Sulston）的诺贝尔奖获奖作品，得出了 C.线虫已有40多年的历史了，并显示出每个 C.线虫动物通过相同的细胞剪裁方式发育。

为了进一步阐明发育过程，Penn和UW团队使用单细胞基因组学方法通过测量发育过程中单个细胞的转录组（细胞中的所有RNA）来表征分子水平上发生的事情。这些方法使科学家能够确定在成千上万的细胞中表达或打开哪些基因，并根据它们在基因相似子集中的表达来鉴定稀有细胞类型。但是，在这些研究中很难知道是否已识别出所有细胞类型，或者通过细胞切割将识别出的细胞之间如何关联。

主要作者，威斯康星大学的研究生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，以追踪转录谱组中细胞谱系树中时间序列的变化，揭示了产生核糖核酸所需的分子变化的详细动态。 C.线虫。

结果数据集将成为成千上万研究 C. C.实验室的强大工具。线虫作为模型有机体，并加强了仅使用单细胞基因组来推断其他物种的细胞之间关系的局限性。

“ Penn一直是单细胞基因组学的开拓者之一，这确实使这项工作成为可能。” Kim说。

该研究有助于揭示细胞在发育过程中如何发挥功能的基本机制。例如，研究人员表明，具有非常不同谱系历史的细胞可以迅速收敛到相同的分子状态，从而无法再对其进行区分。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，例如控制使用患者自身细胞进行治疗所涉及的细胞分化过程。

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John Murray是宾夕法尼亚大学佩雷​​尔曼医学院遗传学副教授。

Junhyong Kim是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的Patricia M. Williams Term生物学特聘教授。

除了Murray，Kim，Waterston，Packer和Zhu外，该论文还由Penn的Priya Sivaramakrishnan，Elicia Preston，Hannah Dueck，Derek Stefanik，Kai Tan和UW的Chau Huynh和Cole Trapnell共同撰写。

这项研究得到了美国国立卫生研究院（HG007355，GM072675，GM127093和HD085201的资助），宾夕法尼亚州的联邦政府以及宾州单细胞生物学计划（由系统药理学和转化治疗学教授Kim和James Eberwine共同指导）的支持。宾夕法尼亚大学佩雷​​尔曼医学院）。