3人主導、僅1年時間！他們完成這項創紀錄的研究

編譯 | 杜珊妮 王兆昱

在通常情況下，若要繪制包含生物體所有細胞類型的圖譜，需要大規模的跨國合作和龐大的預算經費。然而，事情也有例外。據《自然》網站近日報道，3名研究人員主導，僅在1年內就以很低的成本，干成了這件事。

這3名研究人員分別是：美國華盛頓大學西雅圖分校基因組科學系的Chengxiang Qiu和Beth K. Martin，以及美國杰克森實驗室的Ian C. Welsh。他們僅花費約37萬美元，就在一年內成功繪制出胚胎小鼠在10天發育過程中的延時圖譜。

這是迄今為止世界上最大的小鼠胚胎圖譜，可以幫助科學家了解干細胞如何分化為特定的細胞類型、器官如何發育，以及一個生物體在出生后如何變化。

小鼠胚胎從發育的第八天（左上）到出生（右下）的過程 圖源：C. Qiu et al./Nature

分工合作，胚胎“樹”據

前述研究已于今年2月發表在《自然》雜志上。Chengxiang Qiu、Beth K. Martin、Ian C. Welsh是論文的共同第一作者，他們主導研究并完成了主要工作。

Chengxiang Qiu還是論文的通訊作者，他實驗室的導師、華盛頓大學西雅圖分校的遺傳學家Jay Shendure也同為通訊作者。論文的其他作者完成了相關協助工作。

已發表的論文截圖 圖源Nature

Qiu和Martin同是Jay Shendure實驗室的成員。Jay Shendure通常不研究小鼠的發育，他的實驗室以建立分子生物學技術聞名，其中有一項名為“sci-RNA-seq3”的技術。

作為一種新型單細胞轉錄組測序技術，sci-RNA-seq3能在較低的預算范圍內實現高通量、多樣本的同時處理，可使研究人員搞清單個細胞中所有信使RNA（mRNA）的組裝情況。

在一開始，為了展示這項技術的應用，Qiu和Martin決定繪制胚胎小鼠在大約19天妊娠期間的單細胞轉錄組圖。

由于整個細胞很難在研究過程中保持完整，因此，研究人員并不觀察整個細胞，而是將整個小鼠胚胎磨碎，分離出細胞核。他們將這些細胞核分到不同的培養皿中，并在每個培養皿中的mRNA上添加不同的分子標簽。

接下來，他們將細胞核合并，再次分離，在每個培養皿中添加新的標記，然后重復上述步驟。最終，每個細胞核都獲得了一組獨特的標簽——分子條形碼，研究人員可以利用這些標簽來確定細胞的轉錄組。

利用以上方法，研究人員可以對這些細胞的mRNA進行測序，并構建一個樹狀結構模型來模擬一種細胞類型如何轉變為另一種細胞類型。

起初，Qiu和Martin在5天時間內，每隔24小時收集一次胚胎。但是轉錄組在不同時間點之間的變化太大，以至于很難追蹤干細胞如何隨著時間分化為特定細胞類型。Shendure將其比作缺少太多幀的視頻，它更像是定格動畫，而不是連續流暢的進展。

為了解決這個問題，Qiu和Martin找到杰克森實驗室的Welsh進行合作。杰克森實驗室是一家生物醫學研究和小鼠育種機構，總部位于美國緬因州巴港，擁有完善的老鼠飼養設施。

Welsh不愧來自對老鼠研究更為專業的機構，他每隔2~6個小時收集一次小鼠胚胎，在10天的妊娠期間，他精心收集了83個小鼠胚胎并將它們迅速冷凍，送往西雅圖。

在西雅圖，Martin收集了單細胞轉錄組，Qiu隨后將數據映射到樹狀結構模型中，它能夠演示190種細胞類型（肝細胞或骨髓細胞）是何時以及如何起源于胚胎的。

為了進一步充實這棵“樹”，研究人員整合了多方數據，包括他們的數據（從妊娠第8天開始）、Shendure團隊的現有工作，以及其他繪制這些胚胎和更年輕胚胎轉錄組圖譜的現有工作。這又增加了11萬個細胞。

這些數據形成了樹狀結構模型的“根”，使得研究人員能夠追蹤早期干細胞如何分化成較老胚胎中所見的特定類型。

數據驅動的樹，涉及從受精卵到幼崽整個小鼠發育過程中的細胞類型。圖源論文

幸運發現，未來展望

這次發現是意義重大的。

由此產生的圖譜包含小鼠在45個時間點的轉錄組，可供發育生物學家進行更深入的研究。它包含1240萬個細胞，是迄今為止最大的小鼠胚胎圖譜。

在英國劍橋大學干細胞生物學家Bertie G?ttgens看來，這項研究“在許多層面上都令人印象深刻，無論是其成就規模，還是實現研究目標的方式”。

英國惠康桑格研究所的細胞遺傳學家和人類細胞圖譜聯合創始人Sarah Teichmann表示，這項成果將會促進多項研究的開展，包括比較小鼠和人類發育的能力。

以色列魏茨曼科學研究所表觀遺傳學家Yonatan Stelzer表示，這項研究對今后繪制單個器官或組織的細胞圖譜很有幫助。

而同時，這次發現又是幸運的。

研究人員注意到了兩個現象。首先，在小鼠出生后的一小時內，轉錄組發生了最顯著的變化。Shendure稱其為“一生中最緊張的時刻”。有一些變化是意料之中的，比如肺部和脂肪細胞改變了活動，以應對子宮外部的環境。

純粹的運氣讓他們有了另一個發現。在做研究時，Welsh通常使用剖腹產來分娩小鼠。但是有一天，當他吃完午飯回來時，發現了一窩意想不到的新生幼崽。對這些小鼠進行處理后，發現它們的轉錄組與剖腹產小鼠的轉錄組存在顯著差異。研究人員表示，這些差異可能解釋了出生方式對健康結果差異的影響。

不過，此研究也存在著可以改進的地方。

Teichmann指出，在小鼠圖譜上仍有工作要做。例如，某些時間點比其他時間點具有更完整的轉錄組，研究人員尚未按性別將小鼠分開，以觀察這些差異。

據悉，Shendure團隊的下一步計劃是，創建幼年和成年小鼠從受孕到死亡的單細胞圖譜。

Stelzer表示，未來對胚胎的研究會更進一步開展，不僅要研究細胞如何隨著時間的推移而發育，還要在3D空間中對細胞進行追蹤，了解它們如何分裂和移動以形成完整的小鼠。

Stelzer還補充說，未來的研究還可以弄清楚一些問題，如兩個具有相似轉錄組的細胞是如何決定其最終發展為左眼還是右眼的。

“然而，我們距離解決整個胚胎難題還很遙遠。”Stelzer說。

參考鏈接：

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

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