科学家们建造的最完整和详细的单细胞的地图任何动物胚胎发展到目前为止,使用果蝇作为模式生物。
发表在科学这项研究,共同EMBL的艾琳•弗隆和华盛顿大学的Jay Shendure利用数据来自一百万多个胚胎细胞生成的所有阶段胚胎的发育,在多个水平代表了一个重要的进步。这个基础研究也能帮助科学家追求的能力这样的问题如何突变导致不同的发育缺陷。此外,它提供了一个途径了解我们基因组非编码的一部分,其中包含大多数疾病有关的突变。
“只是捕捉整个胚胎发生-所有阶段和细胞类型细胞的获得更完整的视图状态和分子变化,伴随发展本身是一个壮举,“艾琳·弗隆说,EMBL的基因组生物学单位。“但是我很兴奋的是使用深度学习获得连续的分子变化推动胚胎发育到分钟。”
胚胎发育与卵子的受精开始,紧随其后的是一系列的细胞分裂和决策,产生一个非常复杂的多细胞胚胎可以移动,吃,意义,并与环境互动。胚胎发育的研究人员一直在研究这个过程在一百年,但只是在过去的十年里有新技术使科学家们能够识别分子变化,伴随细胞在单细胞水平上的转换。
这些单细胞研究引起了巨大的兴奋,因为他们证明了细胞组织的复杂性,甚至确定新的细胞类型,显示他们的发展轨迹除了潜在的分子变化。然而,试图在单细胞概要胚胎发展的整体分辨率已经遥不可及由于抽样的许多技术挑战,成本,和技术。
在这方面,果蝇(黑腹果蝇),一个卓越的生物模型在发育生物学、基因调控、染色质生物学,有一些关键的优势在开发新的方法来解决这个问题。果蝇胚胎发育发生非常迅速;在20小时内受精后,所有的组织都有形成,包括大脑、肠道,和心脏,所以有机体可以爬行和吃。,结合推动的许多发现在果蝇基因和他们的产品如何工作的理解,鼓励弗隆实验室及其合作者接受这一挑战。
“我们的目标是获得一个持续的胚胎发生的各个阶段,捕捉所有的动态和变化随着胚胎的发展,不仅在RNA也调节这一过程的控制元素,”斯特凡诺Secchia合著者说,弗隆集团的博士生。
初步处理的增强剂
2018年,弗隆和Shendure组显示的可行性分析“开放的染色质分辨率单细胞胚胎以及这些DNA区域通常代表积极发展增强剂。“增强”DNA片段作为控制开关打开和关闭基因。数据显示胚胎细胞类型的使用,增强剂在给定的时间点和如何使用随时间的变化。这样的地图是必不可少的理解使胚胎发育的特定方面。
“我很兴奋当我看到这些结果,”弗朗说。“超越RNA上游看这些监管开关在单个细胞是我不认为可能很长一段时间。”
超越“快照”
2018年当时先进的研究,剖析~ 20000细胞在胚胎发展的三个不同的窗口(开始、中间和结束)。然而,这项工作仍然只给了快照的细胞多样性和规定在特定的离散时间点。使用样本的团队因此探索潜在的重叠的时间窗口,原理,应用了一个特定的血统——概念肌肉。
这大大扩大使用奠定了基础新技术开发的Shendure实验室。团队的当前工作从近一百万细胞异形开放染色质和RNA从一百万细胞重叠的跨度为跨整个果蝇胚胎发展。
使用机器学习的类型,研究人员利用重叠的预测时间跨度为一个更好的分辨率。合著者迭戈·卡尔德龙Shendure实验室的博士后研究员,训练一个神经网络预测精确的发育时间每一个细胞。
“虽然收集到的样本含有胚胎与不同年龄在2 -或4小时时间窗,这种方法允许您放大任何胚胎发生的一部分时间的分钟,”卡尔德隆说。
Shendure补充说,“我很惊讶这是如何工作的。我们可以捕捉分子发生的变化非常迅速,在几分钟内,先前的研究人员发现,人工挑选胚胎每三分钟。”
在未来,这种方法不仅能节省时间,但可以作为参考正常的胚胎发育,看看在不同的突变体胚胎的事情可能会改变。这可能会确定什么时候,细胞类型,一个突变体的表型出现时,研究人员发现在肌肉。换句话说,这项工作不仅有助于了解开发通常发生也打开门了解不同的突变可以搞砸了。
这项研究预示着新的预测潜能,基于样本更大的时间窗口,可以作为其他模型系统的框架。例如,哺乳动物胚胎发展,在体外细胞分化,甚至药物治疗后病变细胞,差距在采样时间可以用来促进最佳时间预测仪分辨率。
展望未来,该小组计划探索阿特拉斯的预测能力。
“结合所有的新工具在单细胞基因组学、计算、和基因工程,我想看看我们是否能预测单个细胞的命运发生了什么在活的有机体内基因突变后,”弗朗说。“…但我们还没走。然而,在这个项目中,我也认为目前的工作不可能短时间内。”
参考:卡尔德龙D, Blecher-Gonen R,黄X, et al。果蝇胚胎发育的连续体单细胞决议。科学。2022,377 (6606):eabn5800。doi:10.1126 / science.abn5800
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