一項(xiàng)名為sci-Space的新技術(shù)與來自其他技術(shù)的數(shù)據(jù)相結(jié)合，可能會(huì)在哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育過程中，通過不同細(xì)胞的基因表達(dá)繪制出四維圖譜。這類圖譜將描繪出單個(gè)細(xì)胞中的基因轉(zhuǎn)錄本如何反映出時(shí)間的流逝、細(xì)胞譜系、細(xì)胞遷移以及發(fā)育中的胚胎位置。它們還將有助于闡明基因表達(dá)的空間調(diào)節(jié)。哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育是一種了不起的現(xiàn)象：一個(gè)受精

2021年7月6日訊/世聯(lián)博研(Bioexcellence)BIOON/---一項(xiàng)名為sci-Space的新技術(shù)與來自其他技術(shù)的數(shù)據(jù)相結(jié)合，可能會(huì)在哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育過程中，通過不同細(xì)胞的基因表達(dá)繪制出四維圖譜。這類圖譜將描繪出單個(gè)細(xì)胞中的基因轉(zhuǎn)錄本如何反映出時(shí)間的流逝、細(xì)胞譜系、細(xì)胞遷移以及發(fā)育中的胚胎位置。它們還將有助于闡明基因表達(dá)的空間調(diào)節(jié)。

哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育是一種了不起的現(xiàn)象：一個(gè)受精卵反復(fù)分裂，在幾周或幾個(gè)月內(nèi)變成一個(gè)復(fù)雜的有機(jī)體，該有機(jī)體能夠進(jìn)行無數(shù)的生理過程，由各種細(xì)胞、組織、器官、解剖結(jié)構(gòu)組成。

更好地了解哺乳動(dòng)物在出生前是如何形成的---特別是胚胎發(fā)育過程中單細(xì)胞水平上的出生前基因表達(dá)空間模式---可能推動(dòng)對(duì)各種疾病進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)和獸醫(yī)研究。這些疾病包括從遺傳性疾病到先天性畸形和發(fā)育遲緩。了解器官的起源也可能有助于未來的再生醫(yī)學(xué)工作。

由美國(guó)華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院、霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所和布羅特曼-巴蒂精密醫(yī)學(xué)研究所的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)在小鼠胚胎中展示了他們的sci-Space技術(shù)的概念驗(yàn)證。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2021年7月2日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Embryo-scale, single-cell spatial transcriptomics”。論文通訊作者為華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院基因組科學(xué)教授Jay Shendure、華盛頓大學(xué)生物工程系助理教授Kelly R. Stevens、華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院基因組科學(xué)副教授Cole Trapnell。論文第一作者為是華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院基因組科學(xué)系的Sanjay R. Srivatsan和華盛頓大學(xué)生物工程系的Mary C. Regier。

這些作者觀察了12萬個(gè)細(xì)胞核中基因的協(xié)調(diào)情況。身體的所有體細(xì)胞都包含相同的DNA編碼。他們?cè)谛∈笈咛コ尚螘r(shí)捕捉到了這些細(xì)胞核中哪些基因開啟或關(guān)閉的信息。他們還研究了細(xì)胞在胚胎中的位置如何影響發(fā)育過程中哪些基因被激活。

這項(xiàng)技術(shù)建立在以前的工作基礎(chǔ)上，這些作者和其他的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了在胚胎發(fā)育過程中對(duì)成千上萬個(gè)單細(xì)胞的基因表達(dá)和DNA編碼可訪問性進(jìn)行整個(gè)有機(jī)體分析的方法。他們這樣做是為了跟蹤各種細(xì)胞類型的出現(xiàn)和軌跡。

細(xì)胞在空間上是如何組裝的---它們?cè)谂咛バ纬蓵r(shí)采取什么樣的物理位置---對(duì)正常發(fā)育至關(guān)重要。錯(cuò)位、擾亂，或者細(xì)胞沒有在正確的時(shí)間出現(xiàn)在正確的位置，都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的問題，甚至是產(chǎn)前死亡。

然而，獲得有關(guān)基因表達(dá)空間模式的知識(shí)在技術(shù)上是困難的。在胚胎的大范圍內(nèi)對(duì)單個(gè)細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)行檢測(cè)是不容易的。這限制了對(duì)空間結(jié)構(gòu)如何影響基因表達(dá)的科學(xué)理解，因此也限制了對(duì)為什么哪些細(xì)胞類型在哪里形成，或相鄰的細(xì)胞組如何影響彼此的未來角色的科學(xué)理解。

這些作者早先開發(fā)了一種標(biāo)記細(xì)胞核的方法，他們稱之為sci-plex技術(shù)。然后他們利用一種稱為sci-RNA測(cè)序的方法，繼續(xù)對(duì)單細(xì)胞RNA測(cè)序進(jìn)行索引。如今，通過sci-Space，他們通過分析空間坐標(biāo)和細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄本，鑒定出數(shù)以千計(jì)的基因，這些基因的表達(dá)是按照解剖學(xué)模式進(jìn)行的。例如，某些基因圖譜出現(xiàn)在大腦和脊髓的神經(jīng)元中，還有一些出現(xiàn)在心臟的心肌細(xì)胞中。他們還使用空間和基因圖譜信息來注釋細(xì)胞的亞型。例如，雖然血管細(xì)胞和心肌細(xì)胞可能都表達(dá)某種特定生長(zhǎng)因子的基因，但只有心肌細(xì)胞產(chǎn)生某些生長(zhǎng)因子受體。

這些作者還觀察到，細(xì)胞類型在基因表達(dá)的空間模式上差異很大。例如，結(jié)締組織祖細(xì)胞顯示出相對(duì)較大比例的空間限制性基因表達(dá)。這一觀察表明，這些細(xì)胞的亞型在整個(gè)身體內(nèi)以位置依賴的方式行事。

描述了在發(fā)育中的小鼠胚胎內(nèi)，單個(gè)細(xì)胞聚集在一起形成器官時(shí)，sci-Spac技術(shù)如何捕捉它們的特性和位置。圖片來自Science, 2021, doi:10.1126/science.abb9536。

為了衡量空間位置對(duì)一種細(xì)胞類型的基因轉(zhuǎn)錄譜的影響，這些作者還計(jì)算了細(xì)胞之間的物理距離和它們基因表達(dá)譜的角度距離。他們指出對(duì)于許多細(xì)胞類型來說，隨著細(xì)胞之間物理距離的增加，它們的轉(zhuǎn)錄組之間的角度距離也會(huì)增加。然而，他們補(bǔ)充說，這種趨勢(shì)變化很大。它在某些大腦和脊髓細(xì)胞中表現(xiàn)得最為明顯。其他一些細(xì)胞類型的基因轉(zhuǎn)錄譜受到它們?cè)诎l(fā)育中的胚胎中的位置的高度影響。其中包括某些軟骨細(xì)胞，它們成為頭部和面部骨骼支架的一部分。

這些作者還研究了小鼠胚胎發(fā)育過程中作為腦細(xì)胞分化和遷移的一部分而發(fā)生的基因表達(dá)動(dòng)態(tài)變化。他們檢查了各種腦細(xì)胞的軌跡是如何在解剖學(xué)上分布的。他們通過使用艾倫腦科學(xué)研究所的解剖參考腦圖譜（Anatomical Reference Brain Atlas）作為指導(dǎo)來做到這一點(diǎn)。

這些作者指出，處于每條軌跡的細(xì)胞絕大多數(shù)都占據(jù)了不同的大腦區(qū)域。他們還觀察到大腦不同區(qū)域的發(fā)育成熟度存在梯度。這些梯度揭示了已知的和新的遷移模式。

在未來，這些作者希望sci-Space能進(jìn)一步應(yīng)用于整個(gè)小鼠胚胎的連續(xù)切片，覆蓋多個(gè)時(shí)間點(diǎn)。（世聯(lián)博研(Bioexcellence) 世聯(lián)博研Bioexcellence）

小編推薦會(huì)議 2021 （第四屆）單細(xì)胞多組學(xué)研究與臨床應(yīng)用峰會(huì)

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