作者:杜珊妮;王兆昱 来源:中国科学报 发布时间:2024/4/13 21:47:45
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3人主导、仅1年时间!他们完成这项创纪录的研究

 

在通常情况下,若要绘制包含生物体所有细胞类型的图谱,需要大规模的跨国合作和庞大的预算经费。然而,事情也有例外。据《自然》网站近日报道,3名研究人员主导,仅在1年内就以很低的成本,干成了这件事。

这3名研究人员分别是:美国华盛顿大学西雅图分校基因组科学系的Chengxiang Qiu和Beth K. Martin,以及美国杰克森实验室的Ian C. Welsh。他们仅花费约37万美元,就在一年内成功绘制出胚胎小鼠在10天发育过程中的延时图谱。

这是迄今为止世界上最大的小鼠胚胎图谱,可以帮助科学家了解干细胞如何分化为特定的细胞类型、器官如何发育,以及一个生物体在出生后如何变化。

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小鼠胚胎从发育的第八天(左上)到出生(右下)的过程 图源:C. Qiu et al./Nature

分工合作,胚胎“树”据

前述研究已于今年2月发表在《自然》杂志上。Chengxiang Qiu、Beth K. Martin、Ian C. Welsh是论文的共同第一作者,他们主导研究并完成了主要工作。

Chengxiang Qiu还是论文的通讯作者,他实验室的导师、华盛顿大学西雅图分校的遗传学家Jay Shendure也同为通讯作者。论文的其他作者完成了相关协助工作。

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已发表的论文截图 图源 Nature

Qiu和Martin同是Jay Shendure实验室的成员。Jay Shendure通常不研究小鼠的发育,他的实验室以建立分子生物学技术闻名,其中有一项名为“sci-RNA-seq3”的技术。

作为一种新型单细胞转录组测序技术,sci-RNA-seq3能在较低的预算范围内实现高通量、多样本的同时处理,可使研究人员搞清单个细胞中所有信使RNA(mRNA)的组装情况。

在一开始,为了展示这项技术的应用,Qiu和Martin决定绘制胚胎小鼠在大约19天妊娠期间的单细胞转录组图。

由于整个细胞很难在研究过程中保持完整,因此,研究人员并不观察整个细胞,而是将整个小鼠胚胎磨碎,分离出细胞核。他们将这些细胞核分到不同的培养皿中,并在每个培养皿中的mRNA上添加不同的分子标签。

接下来,他们将细胞核合并,再次分离,在每个培养皿中添加新的标记,然后重复上述步骤。最终,每个细胞核都获得了一组独特的标签——分子条形码,研究人员可以利用这些标签来确定细胞的转录组。

利用以上方法,研究人员可以对这些细胞的mRNA进行测序,并构建一个树状结构模型来模拟一种细胞类型如何转变为另一种细胞类型。

起初,Qiu和Martin在5天时间内,每隔24小时收集一次胚胎。但是转录组在不同时间点之间的变化太大,以至于很难追踪干细胞如何随着时间分化为特定细胞类型。Shendure将其比作缺少太多帧的视频,它更像是定格动画,而不是连续流畅的进展。

为了解决这个问题,Qiu和Martin找到杰克森实验室的Welsh进行合作。杰克森实验室是一家生物医学研究和小鼠育种机构,总部位于美国缅因州巴港,拥有完善的老鼠饲养设施。

Welsh不愧来自对老鼠研究更为专业的机构,他每隔2~6个小时收集一次小鼠胚胎,在10天的妊娠期间,他精心收集了83个小鼠胚胎并将它们迅速冷冻,送往西雅图。

在西雅图,Martin收集了单细胞转录组,Qiu随后将数据映射到树状结构模型中,它能够演示190种细胞类型(肝细胞或骨髓细胞)是何时以及如何起源于胚胎的。

为了进一步充实这棵“树”,研究人员整合了多方数据,包括他们的数据(从妊娠第8天开始)、Shendure团队的现有工作,以及其他绘制这些胚胎和更年轻胚胎转录组图谱的现有工作。这又增加了11万个细胞。

这些数据形成了树状结构模型的“根”,使得研究人员能够追踪早期干细胞如何分化成较老胚胎中所见的特定类型。

 

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数据驱动的树,涉及从受精卵到幼崽整个小鼠发育过程中的细胞类型。图源论文

幸运发现,未来展望

这次发现是意义重大的。

由此产生的图谱包含小鼠在45个时间点的转录组,可供发育生物学家进行更深入的研究。它包含1240万个细胞,是迄今为止最大的小鼠胚胎图谱。

在英国剑桥大学干细胞生物学家Bertie G?ttgens看来,这项研究“在许多层面上都令人印象深刻,无论是其成就规模,还是实现研究目标的方式”。

英国惠康桑格研究所的细胞遗传学家和人类细胞图谱联合创始人Sarah Teichmann表示,这项成果将会促进多项研究的开展,包括比较小鼠和人类发育的能力。

以色列魏茨曼科学研究所表观遗传学家Yonatan Stelzer表示,这项研究对今后绘制单个器官或组织的细胞图谱很有帮助。

而同时,这次发现又是幸运的。

研究人员注意到了两个现象。首先,在小鼠出生后的一小时内,转录组发生了最显著的变化。Shendure称其为“一生中最紧张的时刻”。有一些变化是意料之中的,比如肺部和脂肪细胞改变了活动,以应对子宫外部的环境。

纯粹的运气让他们有了另一个发现。在做研究时,Welsh通常使用剖腹产来分娩小鼠。但是有一天,当他吃完午饭回来时,发现了一窝意想不到的新生幼崽。对这些小鼠进行处理后,发现它们的转录组与剖腹产小鼠的转录组存在显著差异。研究人员表示,这些差异可能解释了出生方式对健康结果差异的影响。

不过,此研究也存在着可以改进的地方。

Teichmann指出,在小鼠图谱上仍有工作要做。例如,某些时间点比其他时间点具有更完整的转录组,研究人员尚未按性别将小鼠分开,以观察这些差异。

据悉,Shendure团队的下一步计划是,创建幼年和成年小鼠从受孕到死亡的单细胞图谱。

Stelzer表示,未来对胚胎的研究会更进一步开展,不仅要研究细胞如何随着时间的推移而发育,还要在3D空间中对细胞进行追踪,了解它们如何分裂和移动以形成完整的小鼠。

Stelzer还补充说,未来的研究还可以弄清楚一些问题,如两个具有相似转录组的细胞是如何决定其最终发展为左眼还是右眼的。

“然而,我们距离解决整个胚胎难题还很遥远。”Stelzer说。

参考链接:

1.https://www.nature.com/articles/d41586-024-00870-7

2.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07069-w

 
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