生命中的一天:科学家地图细胞发展前所未有的细节

无论是蠕虫、人类或蓝鲸,所有多细胞生物的单细胞开始蛋。

从这个孤独的细胞出现别人的星系需要构建一个有机体,每个新细胞发展在正确的时间在正确的位置进行精确的功能协调与邻国。

这一壮举是自然界最引人注目的一个,尽管几十年的研究中,一个完整的认识过程的生物学家却不得要领。

现在,在4月26日在网上发表的三个里程碑式的研究科学,哈佛医学院和哈佛大学的研究人员报告他们如何有系统地描述每一个细胞都在发展中斑马鱼和青蛙胚胎建立路线图揭示一个细胞如何构建一个完整的器官。

使用单细胞测序技术,研究小组跟踪单个细胞的命运的第一个24小时的生命一个胚胎。他们的分析揭示的综合景观基因的开启或关闭,当,胚胎细胞转变成新的细胞状态和类型。

斑马鱼卵子细胞形成一个复杂的胚胎只有几个小时。视频Fengzhu熊和肖恩Megason

一起,结果代表一个目录的生成不同细胞类型的基因“食谱”两个重要模型物种和提供前所未有的资源研究发育生物学和疾病。

“有单细胞测序,我们可以在一天的工作,概括了几十年的艰苦研究决定细胞在生命的早期阶段,“Allon Klein说,HMS系统生物学助理教授和共同通讯作者,两三个科学研究。

生物医学,这些生物体如何基线资源开发有基线一样重要资源的基因组,研究人员说。

”与我们的方法,我们规划我们的未来发育生物学将转换成定量,“大数据”借科学,”克莱恩说。

除了生命的早期阶段有了进一步的了解,打开大门的工作有了新的认识的疾病,亚历山大Schier说狮子座埃里克森生命科学的分子和细胞生物学教授哈佛,和第三个研究的通讯作者。

“我们预见到任何复杂的生物过程,细胞基因表达改变随着时间的推移可以使用这种方法,重建“Schier说。“不仅胚胎的发展也发展的癌症或大脑退化。”

一次一个

每一个细胞在胚胎发育有它完整生物体的基因组的一个副本。像建筑工人只使用的相关部分蓝图奠定了建筑物的基础时,细胞必须在适当的时候表达必要的基因胚胎发展正确。

在他们的研究中,克莱因与合著者马克•柯式HMS约翰富兰克林·恩德斯大学系统生物学教授肖恩•Megason HMS系统生物学副教授及其同事在斑马鱼和西方分析这个过程claw-toed青蛙(非洲爪蟾蜍tropicalis)胚胎,两个物种在生物的最佳模型。

研究者利用InDrops的力量,一个单细胞测序技术开发的HMS克莱因,柯式和同事,捕捉从每一个细胞的胚胎基因表达数据,一个细胞。团队集体异形超过200000细胞在多个时间点为两个物种在24小时。

“这简直就像是从看到几颗星星看到整个宇宙”说Schier说。

映射的血统,基本上每一个细胞都随着胚胎的发展,以及基因表达的精确序列事件,标志着新细胞状态和类型,团队开发新的实验和计算技术,包括采用人造DNA条形码跟踪谱系细胞之间的关系,称为TracerSeq。

Schier共同领导的研究中,研究小组使用Drop-Seq-a单细胞测序技术研究人员开发的HMS和麻省理工和哈佛大学研究斑马鱼胚胎在高时间分辨率超过12个小时。与特拉维夫Regev合作,广泛的核心成员,Schier和他的同事们重建细胞通过一个轨迹计算方法他们叫黑绿豆,挪威神话人物后决定命运。

Schier和他的同事描述超过38000细胞,开发出一种细胞“家庭树”,揭示出25细胞类型的基因表达改变专业。通过结合数据与空间推理,团队也能够重建空间起源的各种斑马鱼早期胚胎细胞类型。

成功的秘诀

在这两个物种,球队的结果反映的是什么之前了解胚胎发育的进程,因此,强调了权力的新方法。但分析是前所未有的全面详细地揭示事件的级联,从早期祖细胞或“通才”状态更专业与狭义的功能。

有关人类疾病的科学家努力回答问题,这些数据可以有力地照亮。例如,在再生医学研究人员几十年来旨在操纵命运干细胞向特定的目标取代有缺陷的细胞,组织或器官功能的。新收集的详细信息序列的基因表达变化,促使特定细胞类型的出现可以进一步推动这些努力。

未来的基础

新生成的数据集和新的工具和技术开发的一部分,这些研究奠定基础广泛的未来的探索,根据作者。

发育生物学家可以收集更多和更高质量的数据在许多物种中,遵循胚胎在时间和进一步执行任意数量的扰动实验,这些都可以帮助提高我们的理解生物学和疾病的基本规则。

“我认为这些研究是创造一个真正意义上的社区,与研究人员提出的问题和相互作用的方式回归本源的早期胚胎学的研究,”柯式说。

Schier说,这三个研究的一个例子是科学界可以互补问题需要回答重要的生物学问题。

“而不是竞争,我们组在过去两年定期联系和协调的出版我们的研究,”他说。”,这是一个很不错的互补的三篇论文都突出了不同的方法可以生成复杂的数据集,进行了分析和解释。”

下一个概念上的飞跃,团队建议,将更好地了解细胞命运的决定。

“现在,我们有一个路线图,但它并没有告诉我们什么迹象,“Megason说。“我们需要做的是找出信号直接细胞某些道路,和内部机制是什么,让细胞做出这些决定。”

不管将来如何,这些数据集将离开他们的标志。

“研究有机体的美妙之处在于,这是它,”克莱恩说。“十,20年后,我们仍然可以确定斑马鱼和青蛙是要根据相同的模式发展。”

所有这三个研究小组做出了自己的数据集和工具互动,可浏览的网上资源。

这篇文章被转载材料所提供的哈佛医学院。注:材料可能是长度和内容的编辑。为进一步的信息,请联系引用源。

引用:瓦格纳,d, E。人发现,C。柯林斯,z . M。布里格斯,j . A。、Megason年代。G., & Klein, A. M. (2018). Single-cell mapping of gene expression landscapes and lineage in the zebrafish embryo. Science, eaar4362. https://doi.org/10.1126/science.aar4362

布里格斯,j . A。人发现,C。瓦格纳,d, E。、Megason年代。Peshkin, L。、柯式m . W。&克莱因,a . m . (2018)。在脊椎动物胚胎发生在单细胞基因表达的动态分辨率。科学,eaar5780。https://doi.org/10.1126/science.aar5780

法雷尔,j . A。王,Y。Riesenfeld, s . J。Shekhar, K。Regev,。& Schier a f (2018)。单细胞的重建在斑马鱼胚胎发育轨迹。科学,eaar3131。https://doi.org/10.1126/science.aar3131