进化个体细胞类型的时代秀丽隐杆线虫确定

Chaogu郑博士领导的研究小组从香港大学生物科学学院(香港)已经发现了一个重要的进化时代不同类型的细胞在一个小动物秀丽隐杆线虫(秀丽隐杆线虫)。用单细胞转录组数据和精制phylostratigraphy,团队决定单个细胞的转录组的年龄,这意味着他们可以估计基于年龄的不同细胞的进化起源细胞中表达的基因。

他们的发现揭示了细胞的动物发展的“沙漏”模式,揭示重大变化的转录组年龄不同的细胞类型。这些结果还提供见解的不同贡献不同的细胞和组织的适应,和细胞类型之间的进化关系。这些发现的遗传机制提供新的视角推动物种进化的和已发表在领先的多学科杂志PNAS。

从分子研究沙漏模型的见解

所有动物的胚胎形态相似在胚胎发育的中间阶段,虽然有较大的形态差异在早期和晚期阶段。这种模式通常被称为“沙漏”的发展模式,这意味着所有的动物在mid-embryogenesis开发经验的进化阶段。

最近的分子研究表明,胚胎在胚胎发生的中间阶段表达最古老的转录组,这意味着最古老和最保守的基因在基因表达在这个阶段使用。相比之下,年轻的基因表达在胚胎发育的早期和后期。这是发现通过分析基因表达的胚胎不同发育阶段使用了一种叫做phylostratigraphy,一个方法用来确定基因时代通过比较它们的序列在不同的物种。

然而,这些研究是有限的,他们只能确定整个生物的转录组年龄在开发而不是单个细胞或组织。这个限制是很重要的,因为获得的信息时代的基因表达在特定的细胞和组织中获取更详细的理解是至关重要的发展模式物种间的进化,以及遗传机制推动它。此外,它可以揭示个体组织和细胞如何有助于“沙漏”模式,这是一个至关重要的方面了解不同器官和组织的进化和适应动物的整个发展过程。

从所有的有机体单细胞分析

为了填补这一知识空缺,研究小组研究线虫的转录组的年龄秀丽隐杆线虫在单细胞水平使用RNA序列。他们看RNA表达整个胚胎(或生物)和单个细胞获得全面了解如何使用不同的基因在胚胎和幼体发育。

团队首先识别中最古老的转录组的时期秀丽隐杆线虫mid-embryogenesis开始在原肠胚形成,这一过程形式不同的胚胎胚芽层和持续到一个器官的早期发育。更重要的是,该研究小组发现,在早期胚胎,某些细胞使用老的基因比其他细胞。例如,后来成为生殖系细胞(负责传递遗传信息的后代)使用老比体细胞基因在体内的组织。同样的,后来成为内胚层细胞(产生消化道)使用老的基因比其他细胞类型在早期发展。中分化细胞,肌肉似乎比其他细胞类型最古老的转录组。

也观察到细胞的转录组年龄的变化和组织类型仍然是小在早期胚胎阶段和生长大的胚胎和幼虫阶段细胞分化。跟踪的动态转录组年龄在血统标识特定的组织,如皮肤,导致转录组的崛起时代晚期胚胎。

进一步分析变异的转录组年龄在128个不同类型的神经元秀丽隐杆线虫神经系统显示一个特定群体的化学感应的神经元及其下游的中间神经元表达非常年轻的转录组,这可能导致最近进化适应,许多新发展年轻的基因与传感环境因素相关联。最后,通过分析不同的神经元类型之间的转录组年龄的变化,以及基因调控的年龄发展(命运监管者),研究团队可以假设这些128年的进化史神经元类型。

“使用秀丽隐杆线虫作为一个例子,我们展示如何转录组年龄在单细胞水平可以提供洞察发展创新和帮助理解的细胞基础功能多样性和进化的起源细胞,”马富强博士说,香港大学生物科学学院的博士后和该论文的第一作者。

研究项目的主管,郑博士强调,“这项研究作为一个例子,使用尖端单细胞转录组研究进化生物学的老问题。”Dr Zheng envisions that the possibility of determining the evolutionary age of individual cell types at the transcriptome level can open up new research directions and advance our understanding of the genetic mechanisms that drive the evolution of species.

参考:马F,郑c .转录组年龄的个体细胞类型秀丽隐杆线虫。《美国国家科学院刊。2023年,120 (9):e2216351120。doi:10.1073 / pnas.2216351120

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