Science：在單細胞轉錄組解析度下重建虛擬果蠅胚胎

圖片來自Drosophila Virtual Expression eXplorer/BIMSB at the MDC。

在經過13次快速的細胞分裂之後，一個受精的果蠅卵子產生大約6000個細胞。它們在顯微鏡下看起來都一樣。然而，在那時，果蠅胚胎中的每個細胞已知道它是變成神經元還是肌肉細胞，或2017年9月10日/生物谷BIOON/---者變成腸道、頭部或尾部的一部分。

如今，在一項新的研究中，來自德國馬克斯-德爾布呂克分子醫學中心（Max Delbrück Center for Molecular Medicine, MDC）柏林醫學系統生物學研究所（Berlin Institute of Medical Systems Biology, BIMSB）的Nikolaus Rajewsky團隊和Robert Zinzen團隊分析了上千個果蠅細胞的獨特基因表達譜，並且利用一種新的空間映射演算法，基於這些數據，重新組裝出果蠅胚胎。結果就是獲得一種虛擬的果蠅胚胎，該胚胎能夠精確地展現出哪些基因在哪個時間點上是有活性的。BIMSB神經組織分化系統生物學實驗室主任Robert Zinzen說，「這基本上是早期胚胎的轉錄組藍圖。」相關研究結果於2017年8月31日在線發表在Science期刊上，論文標題為「The Drosophila embryo at single-cell transcriptome resolution」。

利用這種互動式果蠅虛擬表達瀏覽器（Drosophila Virtual Expression eXplorer, DVEX）資料庫，這些研究人員如今能夠研究每個果蠅細胞中大約8000個表達的基因中的任何一個，並且問道，「基因X在哪兒表達，表達水平如何？與此同時，在相同的細胞中，哪些其他的基因是有活性的？」它也適合於研究神秘的長鏈非編碼RNA（lncRNA）。BIMSB基因調節元件系統生物學實驗室主任Nikolaus Rajewsky說，「科學家們不用開展耗時的成像實驗，就需開展虛擬實驗來鑒定新的調節元件，甚至認識生物學機制。在正常情形下利用標準方法需要數年完成的事情如今能夠在幾個小時內完成。」

在這項新的研究中，這些研究人員描述了12個新的轉錄因子和更多的之前從未研究過的lncRNA。而且，他們針對一種讓科學家們困惑了35年的問題---果蠅胚胎如何破壞細胞分裂的同步性以便產生更加複雜的結構？---提出一種答案。

在一種被稱作原腸胚形成（gastrulation）的過程中，不同的胚層形成，而且細胞針對它們可能分化而成的組織和器官而在功能上受到限制。Rajewsky說，「我們認為Hippo信號通路至少部分上導致原腸胚形成。」這種通路控制著器官大小、細胞周期和細胞增殖，但是之前從未被發現參與早期胚胎髮育。「我們不僅證實Hippo在果蠅中是有活性的，而且我們甚至可能預測果蠅胚胎中的哪個區域會導致不同的有絲分裂發生，因而破壞同步性。這僅是說明我們的工具對理解傳統科學不能夠理解的機制是如何有用的一個例子。」

參考資料：

Nikos Karaiskos, Philipp Wahle, Jonathan Alles et al. The Drosophila embryo at single-cell transcriptome resolution. Science, Published online:31 Aug 2017, doi:10.1126/science.aan3235

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