在通常情況下，若要繪制包含生物體所有細(xì)胞類型的圖譜，需要大規(guī)模的跨國合作和龐大的預(yù)算經(jīng)費(fèi)。然而，事情也有例外。據(jù)《自然》網(wǎng)站近日報道，3名研究人員主導(dǎo)，僅在1年內(nèi)就以很低的成本，干成了這件事。

這3名研究人員分別是：美國華盛頓大學(xué)西雅圖分?；蚪M科學(xué)系的Chengxiang Qiu和Beth K. Martin，以及美國杰克森實(shí)驗室的Ian C. Welsh。他們僅花費(fèi)約37萬美元，就在一年內(nèi)成功繪制出胚胎小鼠在10天發(fā)育過程中的延時圖譜。

這是迄今為止世界上最大的小鼠胚胎圖譜，可以幫助科學(xué)家了解干細(xì)胞如何分化為特定的細(xì)胞類型、器官如何發(fā)育，以及一個生物體在出生后如何變化。

小鼠胚胎從發(fā)育的第八天（左上）到出生（右下）的過程 圖源：C. Qiu et al./Nature

分工合作，胚胎“樹”據(jù)

前述研究已于今年2月發(fā)表在《自然》雜志上。Chengxiang Qiu、Beth K. Martin、Ian C. Welsh是論文的共同第一作者，他們主導(dǎo)研究并完成了主要工作。

Chengxiang Qiu還是論文的通訊作者，他實(shí)驗室的導(dǎo)師、華盛頓大學(xué)西雅圖分校的遺傳學(xué)家Jay Shendure也同為通訊作者。論文的其他作者完成了相關(guān)協(xié)助工作。

已發(fā)表的論文截圖 圖源Nature

Qiu和Martin同是Jay Shendure實(shí)驗室的成員。Jay Shendure通常不研究小鼠的發(fā)育，他的實(shí)驗室以建立分子生物學(xué)技術(shù)聞名，其中有一項名為“sci-RNA-seq3”的技術(shù)。

作為一種新型單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，sci-RNA-seq3能在較低的預(yù)算范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高通量、多樣本的同時處理，可使研究人員搞清單個細(xì)胞中所有信使RNA（mRNA）的組裝情況。

在一開始，為了展示這項技術(shù)的應(yīng)用，Qiu和Martin決定繪制胚胎小鼠在大約19天妊娠期間的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖。

由于整個細(xì)胞很難在研究過程中保持完整，因此，研究人員并不觀察整個細(xì)胞，而是將整個小鼠胚胎磨碎，分離出細(xì)胞核。他們將這些細(xì)胞核分到不同的培養(yǎng)皿中，并在每個培養(yǎng)皿中的mRNA上添加不同的分子標(biāo)簽。

接下來，他們將細(xì)胞核合并，再次分離，在每個培養(yǎng)皿中添加新的標(biāo)記，然后重復(fù)上述步驟。最終，每個細(xì)胞核都獲得了一組獨(dú)特的標(biāo)簽——分子條形碼，研究人員可以利用這些標(biāo)簽來確定細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組。

利用以上方法，研究人員可以對這些細(xì)胞的mRNA進(jìn)行測序，并構(gòu)建一個樹狀結(jié)構(gòu)模型來模擬一種細(xì)胞類型如何轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N細(xì)胞類型。

起初，Qiu和Martin在5天時間內(nèi)，每隔24小時收集一次胚胎。但是轉(zhuǎn)錄組在不同時間點(diǎn)之間的變化太大，以至于很難追蹤干細(xì)胞如何隨著時間分化為特定細(xì)胞類型。Shendure將其比作缺少太多幀的視頻，它更像是定格動畫，而不是連續(xù)流暢的進(jìn)展。

為了解決這個問題，Qiu和Martin找到杰克森實(shí)驗室的Welsh進(jìn)行合作。杰克森實(shí)驗室是一家生物醫(yī)學(xué)研究和小鼠育種機(jī)構(gòu)，總部位于美國緬因州巴港，擁有完善的老鼠飼養(yǎng)設(shè)施。

Welsh不愧來自對老鼠研究更為專業(yè)的機(jī)構(gòu)，他每隔2~6個小時收集一次小鼠胚胎，在10天的妊娠期間，他精心收集了83個小鼠胚胎并將它們迅速冷凍，送往西雅圖。

在西雅圖，Martin收集了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組，Qiu隨后將數(shù)據(jù)映射到樹狀結(jié)構(gòu)模型中，它能夠演示190種細(xì)胞類型（肝細(xì)胞或骨髓細(xì)胞）是何時以及如何起源于胚胎的。

為了進(jìn)一步充實(shí)這棵“樹”，研究人員整合了多方數(shù)據(jù)，包括他們的數(shù)據(jù)（從妊娠第8天開始）、Shendure團(tuán)隊的現(xiàn)有工作，以及其他繪制這些胚胎和更年輕胚胎轉(zhuǎn)錄組圖譜的現(xiàn)有工作。這又增加了11萬個細(xì)胞。

這些數(shù)據(jù)形成了樹狀結(jié)構(gòu)模型的“根”，使得研究人員能夠追蹤早期干細(xì)胞如何分化成較老胚胎中所見的特定類型。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的樹，涉及從受精卵到幼崽整個小鼠發(fā)育過程中的細(xì)胞類型。圖源論文

幸運(yùn)發(fā)現(xiàn)，未來展望

這次發(fā)現(xiàn)是意義重大的。

由此產(chǎn)生的圖譜包含小鼠在45個時間點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄組，可供發(fā)育生物學(xué)家進(jìn)行更深入的研究。它包含1240萬個細(xì)胞，是迄今為止最大的小鼠胚胎圖譜。

在英國劍橋大學(xué)干細(xì)胞生物學(xué)家Bertie Göttgens看來，這項研究“在許多層面上都令人印象深刻，無論是其成就規(guī)模，還是實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)的方式”。

英國惠康桑格研究所的細(xì)胞遺傳學(xué)家和人類細(xì)胞圖譜聯(lián)合創(chuàng)始人Sarah Teichmann表示，這項成果將會促進(jìn)多項研究的開展，包括比較小鼠和人類發(fā)育的能力。

以色列魏茨曼科學(xué)研究所表觀遺傳學(xué)家Yonatan Stelzer表示，這項研究對今后繪制單個器官或組織的細(xì)胞圖譜很有幫助。

而同時，這次發(fā)現(xiàn)又是幸運(yùn)的。

研究人員注意到了兩個現(xiàn)象。首先，在小鼠出生后的一小時內(nèi)，轉(zhuǎn)錄組發(fā)生了最顯著的變化。Shendure稱其為“一生中最緊張的時刻”。有一些變化是意料之中的，比如肺部和脂肪細(xì)胞改變了活動，以應(yīng)對子宮外部的環(huán)境。

純粹的運(yùn)氣讓他們有了另一個發(fā)現(xiàn)。在做研究時，Welsh通常使用剖腹產(chǎn)來分娩小鼠。但是有一天，當(dāng)他吃完午飯回來時，發(fā)現(xiàn)了一窩意想不到的新生幼崽。對這些小鼠進(jìn)行處理后，發(fā)現(xiàn)它們的轉(zhuǎn)錄組與剖腹產(chǎn)小鼠的轉(zhuǎn)錄組存在顯著差異。研究人員表示，這些差異可能解釋了出生方式對健康結(jié)果差異的影響。

不過，此研究也存在著可以改進(jìn)的地方。

Teichmann指出，在小鼠圖譜上仍有工作要做。例如，某些時間點(diǎn)比其他時間點(diǎn)具有更完整的轉(zhuǎn)錄組，研究人員尚未按性別將小鼠分開，以觀察這些差異。

據(jù)悉，Shendure團(tuán)隊的下一步計劃是，創(chuàng)建幼年和成年小鼠從受孕到死亡的單細(xì)胞圖譜。

Stelzer表示，未來對胚胎的研究會更進(jìn)一步開展，不僅要研究細(xì)胞如何隨著時間的推移而發(fā)育，還要在3D空間中對細(xì)胞進(jìn)行追蹤，了解它們?nèi)绾畏至押鸵苿右孕纬赏暾男∈蟆?/p>

Stelzer還補(bǔ)充說，未來的研究還可以弄清楚一些問題，如兩個具有相似轉(zhuǎn)錄組的細(xì)胞是如何決定其最終發(fā)展為左眼還是右眼的。

“然而，我們距離解決整個胚胎難題還很遙遠(yuǎn)。”Stelzer說。