Cell：新的图谱针对基因如何在早期胚胎发育中起作用提供新见解

尽管人类基因组计划早在 20 多年前就宣布完成了 2 万个人类基因的测序工作，但科学家们仍在努力掌握基本遗传指令如何产生完整的有机体。

研究疾病如何在发育的早期阶段形成的生物医学工作，将受益于具体了解复杂生物是如何从单个受精卵细胞中产生的。在一项新的研究中，来自加州大学圣地亚哥分校的研究人员通过一种简单的模式生物，对胚胎发育如何展开有了新的认识。相关研究结果于2024年5月16日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Automated profiling of gene function during embryonic development”。

这些作者逐一介绍了秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）胚胎发育过程中基因是如何发挥作用的。尽管体型微小，秀丽隐杆线虫一直是科学家们的研究对象，因为它的许多生物学特性，包括早期发育阶段，都与包括人类在内的高等生物非常相似。

论文第一作者Rebecca Green说，“通过在一种简单的模式生物中描述许多这些鲜为人知的基因，我们可以了解它们在像人类这样更复杂的系统中的作用。虽然这项研究是利用秀丽隐杆线虫完成的，但所分析的大多数基因都存在于人类中，其中许多基因的突变与人类发育障碍有关。”

这些作者开发了一种自动系统，用于分析胚胎发生所需的基因功能，其中胚胎发生是受精卵从单细胞发育成具有皮肤、消化道、神经元和肌肉等不同组织的有机体的过程。他们利用延时 4D 成像技术有条不紊地跟踪了每个基因在胚胎各个阶段的功能，包括细胞身份确定和有机体组织成形的时间。

他们使用一种称为“计算机视觉（computer vision）”的方法监控这一过程，以跟踪发育的特定方面，包括每个组织中的细胞数量。他们还跟踪了发育中有机体内组织的质量、位置和形状。

图片来自Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.04.012

为了充分了解近 500 个对胚胎发育非常重要的基因的功能，他们逐一阻断了每个基因的功能。这样，这些作者就能将基因归入共同的基因簇，从而揭示每个基因的作用。Green将这一过程比作自动面部识别，在这一过程中，具有相似特征的图像会被组合在一起。

通过使用这个细致的过程来分析近7000个4D胚胎发生影片集，他们能够为单个基因创建 “指纹”，如细胞成为肌肉或皮肤所需的基因。这有助于他们了解这些基因在胚胎发生过程中发挥的生理作用，如控制肠道或神经系统等组织的形成。

Karen Oegema说，“我们的研究表明，我们的方法正确地对以前表征过的基因的功能进行了分类，确定了未被表征的基因的功能，并描述了新的基因和通路关系。很多我们认为功能平凡的基因被发现具有被低估的重要作用。”

来自这项研究的大量数据也促成了一个新的在线资源的推出，其中包含了所有的信息。PhenoBank如今提供了一个门户网站，可以访问这项研究期间开发的基因图谱。

Arshad Desai教授说，“这种方法令人惊奇地揭示了胚胎发生过程中代谢途径是如何专门化的，并揭示了参与基因调控的不同分子机器之间有趣的新联系。”

除了这项研究中涉及的 500 个基因外，这些作者目前正在努力完成与胚胎发生有关的全部 2000 个秀丽隐杆线虫基因的研究。

他说，“研究人员的广泛兴趣在于他们所开发的解决生物学中最具挑战性问题的方法：一个拥有大约20000个基因（与人类基因的数量相似）的基因组的单个细胞如何能够构建一个完整的有机体。”（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Rebecca A. Green et al. Automated profiling of gene function during embryonic development. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.04.012.