Cell：科学家利用虚拟胚胎进行单个细胞层面的研究

近日，发表在Cell上的一项研究中，来自欧洲分子生物学实验室（EMBL）和意大利帕多瓦大学的研究团队首次对早期胚胎发育进行了完整的描述，包括胚胎中的每一个细胞。这种“虚拟胚胎”有助于解答生物体内的不同类型细胞是如何从单个卵细胞起源的。

EMBL的研究团队负责人Pierre Neveu博士解释说：“在胚胎发育过程中，人体内的许多不同类型的细胞是如何从单个卵细胞发育而来的？这是生物学中最基本的问题之一。” Neveu博士阐述了他和他的团队与Lars Hufnagel博士的团队合作进行的这项研究背后的基本原理。

尽管解答这个问题对于理解多细胞生物如何形成是至关重要的，但在单细胞、全基因组和整个胚胎水平上研究驱动这种细胞多样化的发育机制是一项具有挑战性的任务。

该研究的第一作者Hanna Sladitschek博士解释说：“截止到目前，我们仍对基因表达程序缺乏全面的了解。这些程序会指导单个细胞形成构建胚胎所必需的不同细胞类型。尽管最近在这一领域取得了一些进展，但直到现在，胚胎中每个细胞在空间和时间的发育的完整描述才得以实现。”

EMBL研究团队通过构建一个海鞘 （Phallusia mammillata）的“虚拟胚胎”来解决这个问题。海鞘是一种海洋生物，生活在地中海和大西洋中。之所以选择该物种作为模型系统，是因为它与脊椎动物存在亲缘关系，而且每个个体都有相同数量的细胞，因此更容易将许多样本的观察结果结合起来。

这个虚拟胚胎描述了胚胎在发育早期的每个细胞分裂时的基因表达和形态，显示了从单个细胞到64个细胞的进化过程。在最初的七个细胞分裂之后，未来的神经索、大脑、生殖细胞、血细胞前体和肌肉的命运已经被确定。这使其对胚胎中每个细胞的早期发育进行了完整描述。这个虚拟胚胎还描述了基因表达（细胞的遗传信息是如何表达和出现的）以及空间位置。为了生成完整的图谱，研究人员将高分辨率单细胞转录组学和光片成像技术结合起来。

Neveu说：“我们的模型显示，可以通过分析单个细胞的基因表达来了解其位置和历史。此外，我们发现，虽然基因表达的调控在胚胎中是非常精确的，但发育时间的差异可以解释单个胚胎之间观察到的差异。”

基因表达通常被认为是一个“嘈杂”的过程，换言之，它具备随机性因素。然而新的研究结果表明，基因表达具备显着的可重现性，特定胚胎中的细胞之间具有明显的协调性。Neveu说：“如何实现这种协调？胚胎如何协调两个镜像对称的半胚？” Neveu提出了科学家们希望解答的一些新问题。

Hufnagel说：“我们的研究代表了新兴的发育基因组学领域的飞跃。既然我们已经利用拥有少量细胞的生物体进行研究，那么将我们的研究扩展到拥有更多细胞的哺乳动物当然会更有趣！” (生物谷Bioon.com）