来自华盛顿大学 Jay Shendure 课题组、哈佛大学 George Church 研究组、加州理工学院的Long Cai课题组率先利用 CRISPR 技术实现了对胚胎发育过程中不同类型细胞的产生进行了追踪, 建立了完整的细胞发育谱系. 可以看出, 以单细胞测序技术、基因编辑技术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.
 

随着单细胞测序技术的不断发展, 细胞通量的逐步增加, 使得我们可以在获取有限样本的情况下, 尽可能多地去研究不同细胞中基因的表达特征. 然而, 由于不同的方法学之间以及疾病个体之间存在的差异会导致在细胞类群划分的过程中产生严重的批次效应, 使得我们无法对某类重要细胞的分子特征作出全面的解析. 因此, 近年来以Marioni 研究组和 Satija 研究组为代表的多个研究组不断地开发了新的计算方法来消除批次效应, 以实现对数据更好的利用.
 

为了展现胚胎发育过程中细胞状态的转变以及在此过程中细胞状态特征性基因的连续变化, Wagner等人并没有使用通过降维的方法将所有细胞投射到二维平面的研究策略. 他们开发了基于图形的计算方法, 将具有相同生物学特征的连续时间点结合成一个节点, 同时将与该节点的基因表达特征最相近的其他节点相连接, 构建了斑马鱼胚胎发育过程中完整的细胞状态转变图谱. 而Farrell等人则开发了URD来构建转录本的变化轨迹. URD利用近邻算法计算了不同转录本之间的表达距离, 并将具有类似基因表达模式的细胞结合在一起. 随后, 为了研究细胞的分化过程, 研究人员根据发育过程指定了细胞分化的起点并通过计算不同细胞到发育起点之间的基因表达距离构建了发育拟时间.
 

在此基础上, 作者进一步计算了每一群细胞向发育起始位点随机移动的偏好性, 将每一群细胞的发育轨迹连接起来形成了一个完整的胚胎发育分支树. 利用URD所构建的发育轨迹在不依赖发育先验知识的前提下展现了不同细胞之间基因表达随时间的变化轨迹. 近年来, 为了在单细胞水平上追踪细胞谱系的变化, 多个研究组采取了不同的研究手段分析了在疾病发生时细胞类型的转变. 如 Ludwig等人通过检测细胞内线粒体基因组中的突变, 记录了细胞类型的转变过程; 而 Galen 等人在研究急性髓性白血病的发病过程中, 则利用三代测序的方法检测转录本中的点突变来寻找细胞癌变的过程. 通过数学建模和计算分析的方法对数据进行深度挖掘, 将帮助我们更好地理解发育过程以及疾病的发生与发展. 因此, 如何合理地组合不同的研究方法将对解决生物学中的重要科学问题起到巨大的帮助作用. 对个体中的活细胞进行实时的追踪和分析, 将使我们能够更加全面地了解不同类型细胞的产生以及个体的发育过程.
 

由 Klein, Megason, Kirschner 以及 Schier 领导的研究团队分别将单细胞转录组测序、计算分析和基因编辑的方法进行结合, 对来自不同发育时间的胚胎细胞进行大规模的分析, 构建了由单细胞胚胎向多细胞个体发育的完整过程. 这些研究成果充分展现了单细胞测序技术在全面解析细胞类型转变、器官形成以及个体发育中的巨大潜力. 然而, 如何将这些研究方法进一步应用于哺乳动物的个体发育中仍有待研究. 在 Wagner 等人的研究中, 研究人员借助可编辑的分子条码系统实现了细胞发育谱系的建立.
 

然而, 要注意到的是, 基因编辑技术, 特别是 CRISPR 技术中普遍存在的脱靶效应以及由此带来的RNA编辑, 都会对后续转录本的分析产生一定的影响, 这将对我们准确鉴定细胞中基因的表达特征产生干扰, 提示我们在哺乳动物细胞的使用中仍需谨慎. 同时我们看到, 文章中研究人员都没有在细胞水平上对所得到的结论进行大量的验证. 然而近年来不同研究组所开发的高通量多色原位荧光杂交技术已经能够实现在组织中同时对几百甚至上千个基因进行标记. 因此, 进一步将单细胞转录组测序以及多色荧光原位杂交的方法进行结合, 将对目前现有的结论进行更进一步的证明, 同时也将有助于新发现的产生.
 

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。