科學家利用虛擬胚胎進行單個細胞層面的研究

近日，發表在Cell上的一項研究中，來自歐洲分子生物學實驗室（EMBL）和意大利帕多瓦大學的研究團隊**對早期胚胎發育進行了完整的描述，包括胚胎中的每一個細胞。這種“虛擬胚胎”有助于解答生物體內的不同類型細胞是如何從單個卵細胞起源的。

EMBL的研究團隊負責人Pierre Neveu博士解釋說：“在胚胎發育過程中，人體內的許多不同類型的細胞是如何從單個卵細胞發育而來的？這是生物學中最基本的問題之一。” Neveu博士闡述了他和他的團隊與Lars Hufnagel博士的團隊合作進行的這項研究背后的基本原理。

盡管解答這個問題對于理解多細胞生物如何形成是至關重要的，但在單細胞、全基因組和整個胚胎水平上研究驅動這種細胞多樣化的發育機制是一項具有挑戰性的任務。

該研究的**作者Hanna Sladitschek博士解釋說：“截止到目前，我們仍對基因表達程序缺乏全面的了解。這些程序會指導單個細胞形成構建胚胎所必需的不同細胞類型。盡管最近在這一領域取得了一些進展，但直到現在，胚胎中每個細胞在空間和時間的發育的完整描述才得以實現。”

EMBL研究團隊通過構建一個海鞘 （Phallusia mammillata）的“虛擬胚胎”來解決這個問題。海鞘是一種海洋生物，生活在地中海和大西洋中。之所以選擇該物種作為模型系統，是因為它與脊椎動物存在親緣關系，而且每個個體都有相同數量的細胞，因此更容易將許多樣本的觀察結果結合起來。

這個虛擬胚胎描述了胚胎在發育早期的每個細胞分裂時的基因表達和形態，顯示了從單個細胞到64個細胞的進化過程。在最初的七個細胞分裂之后，未來的神經索、大腦、生殖細胞、血細胞前體和肌肉的命運已經被確定。這使其對胚胎中每個細胞的早期發育進行了完整描述。這個虛擬胚胎還描述了基因表達（細胞的遺傳信息是如何表達和出現的）以及空間位置。為了生成完整的圖譜，研究人員將高分辨率單細胞轉錄組學和光片成像技術結合起來。

Neveu說：“我們的模型顯示，可以通過分析單個細胞的基因表達來了解其位置和歷史。此外，我們發現，雖然基因表達的調控在胚胎中是非常精確的，但發育時間的差異可以解釋單個胚胎之間觀察到的差異。”

基因表達通常被認為是一個“嘈雜”的過程，換言之，它具備隨機性因素。然而新的研究結果表明，基因表達具備顯著的可重現性，特定胚胎中的細胞之間具有明顯的協調性。Neveu說：“如何實現這種協調？胚胎如何協調兩個鏡像對稱的半胚？” Neveu提出了科學家們希望解答的一些新問題。

Hufnagel說：“我們的研究代表了新興的發育基因組學領域的飛躍。既然我們已經利用擁有少量細胞的生物體進行研究，那么將我們的研究擴展到擁有更多細胞的哺乳動物當然會更有趣！”