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Science:新突破!在单细胞转录组分辨率下重建虚拟果蝇胚胎

来源:本站原创 2017-09-10 14:03


图片来自Drosophila Virtual Expression eXplorer/BIMSB at the MDC。

2017年9月10日/生物谷BIOON/---在经过13次快速的细胞分裂之后,一个受精的果蝇卵子产生大约6000个细胞。它们在显微镜下看起来都一样。然而,在那时,果蝇胚胎中的每个细胞已知道它是变成神经元还是肌肉细胞,或2017年9月10日/生物谷BIOON/---者变成肠道、头部或尾部的一部分。

如今,在一项新的研究中,来自德国马克斯-德尔布吕克分子医学中心(Max Delbrück Center for Molecular Medicine, MDC)柏林医学系统生物学研究所(Berlin Institute of Medical Systems Biology, BIMSB)的Nikolaus Rajewsky团队和Robert Zinzen团队分析了上千个果蝇细胞的独特基因表达谱,并且利用一种新的空间映射算法,基于这些数据,重新组装出果蝇胚胎。结果就是获得一种虚拟的果蝇胚胎,该胚胎能够精确地展现出哪些基因在哪个时间点上是有活性的。BIMSB神经组织分化系统生物学实验室主任Robert Zinzen说,“这基本上是早期胚胎的转录组蓝图。”相关研究结果于2017年8月31日在线发表在Science期刊上,论文标题为“The Drosophila embryo at single-cell transcriptome resolution”。

利用这种交互式果蝇虚拟表达浏览器(Drosophila Virtual Expression eXplorer, DVEX)数据库,这些研究人员如今能够研究每个果蝇细胞中大约8000个表达的基因中的任何一个,并且问道,“基因X在哪儿表达,表达水平如何?与此同时,在相同的细胞中,哪些其他的基因是有活性的?”它也适合于研究神秘的长链非编码RNA(lncRNA)。BIMSB基因调节元件系统生物学实验室主任Nikolaus Rajewsky说,“科学家们不用开展耗时的成像实验,就需开展虚拟实验来鉴定新的调节元件,甚至认识生物学机制。在正常情形下利用标准方法需要数年完成的事情如今能够在几个小时内完成。”

在这项新的研究中,这些研究人员描述了12个新的转录因子和更多的之前从未研究过的lncRNA。而且,他们针对一种让科学家们困惑了35年的问题---果蝇胚胎如何破坏细胞分裂的同步性以便产生更加复杂的结构?---提出一种答案。

在一种被称作原肠胚形成(gastrulation)的过程中,不同的胚层形成,而且细胞针对它们可能分化而成的组织和器官而在功能上受到限制。Rajewsky说,“我们认为Hippo信号通路至少部分上导致原肠胚形成。”这种通路控制着器官大小、细胞周期和细胞增殖,但是之前从未被发现参与早期胚胎发育。“我们不仅证实Hippo在果蝇中是有活性的,而且我们甚至可能预测果蝇胚胎中的哪个区域会导致不同的有丝分裂发生,因而破坏同步性。这仅是说明我们的工具对理解传统科学不能够理解的机制是如何有用的一个例子。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

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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