Cell：构建出一种追踪斑马鱼发育的新型细胞图谱——Zebrahub

当早期的制图师利用六分仪、罗盘和手绘图表进行危险的探险，绘制世界上未知角落的地图时，他们不可能想到有一天任何人只要有互联网连接，就能在自己家中无缝查看整个地球。

如今，科学家们正在努力为一个更微小但同样重要的领域创造类似的体验：发育中的胚胎。人们的目标是跟踪并绘制每一个细胞共同创造一个成年生命形式的行为图谱，并将该图谱以可点击、可导航的方式显示出来---这就像是发育生物学中的谷歌地球。

如今，来自陈-扎克伯格旧金山生物中心的研究人员在一篇新的论文中，公布了他们在这方面的最新进展。他们构建出一种最先进的数据图谱，即Zebrahub，它将斑马鱼胚胎中新出现细胞的高分辨率延时视频与大量数据结合在一起，这些数据显示了当单个细胞导航到它们的最终位置并“决定”它们最终将在成年鱼体内扮演什么角色时，哪些基因开启或关闭。

相关研究结果于2024年10月24日发表在Cell期刊上，论文标题为“A multimodal zebrafish developmental atlas reveals the state-transition dynamics of late-vertebrate pluripotent axial progenitors”。

斑马鱼是一种原产于南亚的淡水物种，成鱼体长很少超过两英寸，是一种历史悠久的与人类健康相关的发育研究模型。大约 70% 的人类基因在斑马鱼中都有对应的基因。斑马鱼胚胎大部分是透明的，因此科学家们可以在显微镜下详细观察它们的早期生长过程。

Zebrahub对所有人免费开放，内置专为生物学家设计的分析工具。创建Zebrahub需要建立一套新的仪器和软件。作者在这篇论文中写道，这是同类产品中最全面的图集，是“开创发育和进化生物学新时代”的重要一步。

论文共同通讯作者Loïc Royer 说，“生命如何从单细胞变成整个身体是生物学最大的谜团之一。通过 Zebrahub，我们绘制出了可能是有史以来最详细的关于这一过程的图谱。”

生命的复杂性

要形成人类或鱼类等复杂的成年生物，受精卵必须分裂成一系列后代细胞，这些后代细胞继续分裂，直到数百万个细胞诞生，并成为皮肤、肝脏、大脑和身体其他所有组成部分的一部分。

虽然在大多数情况下，胚胎的所有细胞都含有一套相同的基因，但每种细胞使用这些基因的方式——在不同的时间点以不同的组合开启或关闭基因，却是独一无二的。

长期以来，科学家们一直在思考，数百万个细胞中成千上万个基因的“选择”如何组合在一起，创造出具有多种特化组织、功能完备的成年生命体。在解决这个令人生畏的难题方面取得的每一个进展，都让人们对这一过程为何有时会出错从而导致失调和疾病有了新的认识。

斑马鱼发育细胞图谱——Zebrahub

但是，即使有了斑马鱼这样强大的模型，发育生物学的研究历来都是以零敲碎打的方式进行的，受限于太微小而根本无法观察到的研究事件的复杂性，而且在脆弱的生物体内发生的事件数以百万计，很容易被为了解它们而设计的实验所破坏。

得益于作者开发的一套新的实验室程序，Zebrahub也是同类数据集中首批包含单个胚胎特定基因表达数据的数据集之一，因为收集此类数据的过程通常需要将来自多个胚胎的 DNA 汇集在一起。这意味着Zebrahub 还能让科学家们研究可能导致不同斑马鱼之间不同健康结果的微妙表达差异。

论文第一作者Merlin Lange说，“Zebrahub为首次极高精度地研究细胞在极其复杂的发育过程中的行为提供了机会。像这样在同一资源中同时结合单个细胞的基因表达和细胞随时间变化的空间图谱是非常罕见的。”

运动中的细节

Zebrahub 有两个主要数据集，以及一套旨在帮助生物学家使用它们的工具。第一个数据集提供延时视频显微图片，显示受精后 24 小时内斑马鱼胚胎中大多数细胞的诞生和早期运动，在此期间器官开始形成。第二个视频提供了胚胎最初10天内10个不同时间点12万多个斑马鱼细胞中哪些基因处于活跃状态的数据。

为了制作延时视频，作者设计并制造了“DaXi”，这是一种新型自动显微镜，其视野大到足以捕捉整个活胚胎的图像。DaXi 是一种所谓的光片显微镜，它以独特的方式发射和捕捉光线，旨在保护胚胎免受高强度激光束的伤害，因为激光束会在短时间内伤害甚至杀死胚胎。

接着，为了让科学家们能够轻松地使用捕捉到的视频来研究特定细胞，他们开发了一个名为 Ultrack 的复杂新程序，它能自动识别细胞核（通常是细胞中最显著的标志），并在三维空间中跟踪它们在视频中的移动。

结合这些工具生成的数据集，他们可以进行“虚拟实验”，检查细胞在发育过程中的起点和终点，甚至可以将它们的发育轨迹在时间上向前或向后运行。

在开发这种方法的过程中，他们有了一些有趣的发现。例如，他们研究了胚胎尾部一个叫做神经-中胚层祖细胞（neuro-mesodermal progenitor）的细胞亚群，在他们研究的时间点上，这些细胞以前被认为只能产生一种类型的组织。然而，当他们对这些细胞的运动和扩张进行分析时，他们发现这些细胞实际上同时发育成了肌肉细胞和神经元，并整合到了脊髓中。

Lange说，“这是一个非常出人意料的发现。如果没有Zebrahub提供的广阔视野，这一发现很难得到证实。”

Zebrahub已经帮助支持了其他实验室的发现。已有一个研究小组将Zebrahub与他们自己的细胞图谱结合使用，以探究哪些细胞蛋白可能有助于白内障在眼睛中的形成。为此，他们利用Zebrahub的基因表达数据库，查看晶状体细胞何时以可能导致问题的方式激活或关闭某些基因。

论文共同通讯作者Mason Posner说，“斑马鱼真的很小，我们真的很难把晶状体剥离开来，以便探究哪些基因在这个区域起作用，以及一个细胞与另一个细胞可能有什么不同。”在这篇论文中，“这些已为我们完成了，我们可以深入了解，例如，这种组织如何变得透明并发挥生物玻璃的功能”。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Merlin Lange et al. A Multimodal Zebrafish Developmental Atlas Reveals the State-Transition Dynamics of Late-Vertebrate Pluripotent Axial Progenitors. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.09.047.