在生命形成过程中, 如何从单一的受精卵产生多种细胞类型、组织以及器官, 并且将它们组装在一起形成一个完整的个体是生物学最重要的奥秘之一. 在胚胎发育过程中, 细胞的分裂和逐步分化是最基本的生物学事件, 揭示这一过程中不同细胞类型的产生方式将对深刻理解个体发育具有重要的意义。
 

过去几十年来, 研究人员利用遗传标记的方法对部分器官中特定细胞类型的形成过程进行了深入的分析, 然而由于技术方面的限制, 在大时间尺度上对整个胚胎的发育进程进行全面的追踪仍然十分困难. 近年来, 以单细胞测序技术、基因编辑技术以及计算生物学为代表的新兴生物学方法, 为研究人员提供了新的工具, 极大地拓展了我们对不同生物学问题的可操作性, 使得我们对于胚胎发育过程中的重要生物学事件有了更加清晰的认识. 现在, 一种将单细胞测序技术与基因编辑技术以及计算工具相结合的方法, 正在向人们展现到目前为止关于脊椎动物胚胎发育最为详细的细胞命运转变图谱。
 

2018年4月, Science杂志以新闻报道的形式对当月在该杂志上发表的 3篇文章进行了深度介绍, 展现了这些新技术在研究胚胎发育过程中的巨大应用前景. 在这3篇文章中, 研究人员报道了他们对大多数发育中的斑马鱼或青蛙胚胎细胞内的基因表达进行多个时间点测序分析的结果. 他们将这些以几分钟到几小时间隔获得的数据拼接在一起, 通过构建细胞命运转变图谱, 揭示了不同类型细胞的形成过程, 完整地展现了脊椎动物胚胎发育过程。
 

在个体发育过程中, 胚胎期的多能性细胞如何逐步分化为成体中特定的细胞类型是最为关注的事件. 到目前为止, 我们仍然没有得到一个完整的关于脊椎动物胚胎发育过程中细胞发生的图谱. Wagner 等人利用单细胞转录组测序技术对来自斑马鱼胚胎发育第一天的 9 万多个单细胞进行了分析. 在每一个斑马鱼胚胎中, 研究人员对其中17％~97％的细胞进行了测序, 成功地覆盖到了所有分化状态下的细胞. 基于全部细胞的转录本, 研究人员希望将不同时间下的细胞状态连接起来构建完整的细胞分化转变轨迹. 因此他们开发了一种基于图形的算法工具将具有相同生物学差异的连续时间点组合在一起. 基于这一算法, 他们构建了在斑马鱼胚胎发育第一天, 有关体轴建成、三胚层形成以及早期器官发生的细胞状态图谱. 研究人员发现, 所绘制的细胞发育状态图谱仍然不能完全揭示单个细胞在发育过程中的细胞状态转变过程。
 

因此, 为了在单细胞水平上追踪体内细胞谱系发生过程中细胞状态的转变过程, 研究人员开发了Tracerseq, 利用Tol2 转座酶系统将一段 20 bp 可编辑的DNA片段以及绿色荧光蛋白随机的插入斑马鱼基因组中. 通过分析可编辑 DNA片段的序列变化模式, 研究人员详细地记录了斑马鱼胚胎发育过程中, 不同细胞谱系中前体细胞如何逐步分化为不同的细胞类型, 同时也展现了不同细胞谱系在发育过程中的相互关联. 在胚胎发育过程中, 细胞状态的转变反映了多能干细胞向不同类型细胞的分化, 这一过程始终伴随着基因表达特征的变化. 因此鉴定细胞命运转变过程中转录本的变化轨迹对于理解脊椎动物胚胎的发育至关重要. 在另一项研究中, Farrell等人就对斑马鱼的胚胎发育轨迹进行了深入的研究. 他们利用 Drop-seq 对来自694个斑马鱼胚胎的38731个细胞进行了单细胞转录组测序分析。
 

这3万多个单细胞覆盖了从合子基因表达到早期体节发生共12个胚胎发育时期. 在该研究中, 并开发了一套被称为URD的计算工具. 与扩散映射不同, URD以一种新的方法将细胞在拟时间上进行排序, 通过构建一个完整的分支树展现胚胎发育过程中 25 种类型细胞的分化过程. 利用URD构建的发育分支树系统地展现了发育早期, 在原始生殖细胞、膜套层细胞以及卵裂球中已经形成了不同的分化轨迹。

然而, 在卵裂球的早期发育过程中, 研究发现, 除了外胚层细胞与中内胚层细胞的分化产生差异外, 体轴中胚层与其余中内胚层的分化也产生了差异, 表明卵裂球细胞早期基因的表达不仅能够调控三胚层的产生, 同时也能够调节体轴和非体轴中内胚层的产生. 此外, 他们发现一些处于发育分支点的细胞已经开始表达多种能够决定其子代细胞命运的调控基因. 对位于体轴中胚层分支节点上细胞的基因表达进行分析也发现了这些过渡态细胞由脊索向脊索前板的命运转变。
 

在胚胎中引入特定的基因突变为我们了解胚胎细胞命运的特化过程提供了独特的视角. 在这项研究中, Farrell等人认为, 单细胞转录组测序或许能够在全基因组水平上更快地检测突变对发育所造成的影响. 研究人员利用Smart-seq2对325 MZoep突变的斑马鱼胚胎细胞以及1047个正常细胞进行测序分析, 发现在整个转录本水平上, 尽管在发育过程中造成了异常的发育信号, 但是突变细胞在发育轨迹上仍然被划分为正常的细胞状态。
 

出自《利用单细胞测序技术追踪胚胎发育中细胞的演变过程》作者王萍。