哺乳動物胚胎發(fā)生過程的分子記錄

原創(chuàng)： 天涯清水 原文：單細(xì)胞天地
編輯：薛定諤的貓
責(zé)任人：Jimmy

當(dāng)你的才華還撐不起你的野心時，請潛下心來，腳踏實(shí)地，跟著我們慢慢進(jìn)步。不知不覺在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組領(lǐng)域做知識分析也快兩年了，通過文獻(xiàn)速遞這個欄目很幸運(yùn)聚集了一些小伙伴攜手共進(jìn)，一起成長。

文獻(xiàn)速遞欄目通過簡短介紹，擴(kuò)充知識面，每天關(guān)注，希望你也能有所收獲！

文章信息2019年3月13，nature雜志發(fā)表了一篇文章，利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組研究，揭示哺乳動物胚胎形成過程中基因表達(dá)情況。DOI:10.1038/s41586-019-1184-5. 文章標(biāo)題：Molecular recording of mammalian embryogenesis

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**摘要 **

個體發(fā)生展現(xiàn)的是從單個全能細(xì)胞產(chǎn)生一個完整的復(fù)雜多細(xì)胞生物過程。由于自我更新與分化、祖先體型變化與這些動物體內(nèi)妊娠的不確定性，使（胚胎發(fā)生）這一領(lǐng)域的研究在哺乳動物研究中極具挑戰(zhàn)。本研究中，我們基于單細(xì)胞測序技術(shù)建立一個具有彈性的、信息含量高的多通道分子記錄方法，并將單細(xì)胞技術(shù)作為一個不斷變化的譜系示蹤劑來整合從小鼠受精卵到原腸胚形成過程中的細(xì)胞命運(yùn)決定圖譜。通過將譜系信息與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序相結(jié)合，總結(jié)了不同組織類型之間的典型發(fā)育關(guān)系，揭示了胚胎內(nèi)外胚層起源的細(xì)胞幾乎完全的轉(zhuǎn)錄收斂。最后，我們應(yīng)用細(xì)胞命運(yùn)圖譜來評估胚胎祖細(xì)胞的數(shù)量與它們在發(fā)育過程的不對稱分配程度。我們（建立）的方法能夠大規(guī)模并行、高分辨率地記錄哺乳動物系統(tǒng)（發(fā)生）過程中的信息，這將有助于為理解發(fā)育過程構(gòu)建一個定量的框架。

背景

用于探索復(fù)雜多細(xì)胞生物發(fā)育問題的理想分子記錄器應(yīng)該具有以下特征：（1）對細(xì)胞表型的影響最小; （2）信息含量高-應(yīng)包含成千上萬個細(xì)胞的信息; （3）能夠同時分析單細(xì)胞分辨率下的細(xì)胞的功能和狀態(tài)。（4）靈活的記錄速度，可以調(diào)整到較大的時間范圍;（5）以及在整個實(shí)驗(yàn)中連續(xù)產(chǎn)生多樣性。最后一點(diǎn)與哺乳動物的發(fā)育特別相關(guān)，在這一點(diǎn)上，空間規(guī)劃是逐漸和連續(xù)被特化，并且可能源自小的，瞬時的祖先狀態(tài)。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組揭示了具有連續(xù)表型譜的細(xì)胞群，這意味著細(xì)胞分化不會是瞬間發(fā)生，進(jìn)一步闡明了開發(fā)新的分子記錄的重要性。（單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組正好滿足上述條件，所以作者以單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組作為新的哺乳動物胚胎發(fā)育的分子記錄儀）

測序數(shù)據(jù)介紹

使用Perturb-seq（基因擾動-表型）技術(shù)，對7個胚胎（約占細(xì)胞總量的 15.8%-61.4%）的7364–22,264細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序；

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獲得167 - 2461個具有唯一標(biāo)記的譜系

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數(shù)據(jù)分析情況

• 文庫構(gòu)建

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• 比對: aligned using10x CellRanger v2。

• 過濾：過濾基因-條形碼的矩陣用于下游分析。

• 聚類分析：利用Seurat包對表達(dá)矩陣進(jìn)行歸一化分析、 使用主成分分析進(jìn)行降維分析、tNSE亞群聚類進(jìn)行分析。

主要分群情況

首先，用cas9構(gòu)建帶有GFP熒光標(biāo)記等特殊的細(xì)胞系來記錄和追蹤胚胎從受精卵到原腸胚形成過程細(xì)胞的狀態(tài)變化。

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分群情況

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重新構(gòu)建了小鼠胚胎發(fā)育的細(xì)胞譜系

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意義

在本研究中，基于高信息和連續(xù)記錄技術(shù)，我們提出了哺乳動物原腸胚形成的細(xì)胞命運(yùn)圖譜。該技術(shù)記錄的細(xì)胞歷史信息如何補(bǔ)充RNA-seq譜以表征細(xì)胞類型，以及定量理解哺乳動物發(fā)育過程中隨機(jī)轉(zhuǎn)變的早期框架。我們的細(xì)胞命運(yùn)圖確定了獨(dú)立細(xì)胞譜系的表型趨同，展示了無偏生物體全譜系追蹤對單獨(dú)群體的能力，這些群體僅由scrna-seq數(shù)據(jù)顯示相似。具體來說，我們證實(shí)了類似于胚胎內(nèi)胚層的細(xì)胞亞群的胚胎外起源。盡管已知這些譜系的初始規(guī)范依賴于冗余的調(diào)控程序，但這些譜系幾天過后，在時間上便可區(qū)分，從轉(zhuǎn)錄和表觀不同的祖細(xì)胞中產(chǎn)生，并形成具有高度分化功能的終末細(xì)胞類型。哺乳動物個體發(fā)育過程中的轉(zhuǎn)分化范圍仍然很大程度上未被探索，但實(shí)際上可以利用我們的系統(tǒng)來進(jìn)行研究。我們的技術(shù)旨在定量地解決生物體發(fā)育過程中以前不了解的問題，有機(jī)體調(diào)節(jié)的高階問題，例如發(fā)育的起始位置、時間和限制性等發(fā)育過程中的瓶頸問題，以及不同狀態(tài)的細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌硇偷南鄳?yīng)可能性 ，可以通過歷史關(guān)系的集合來建模。我們希望通過這些屬性的表征將大規(guī)模發(fā)育現(xiàn)象與細(xì)胞命運(yùn)決定的分子調(diào)節(jié)聯(lián)系起來。

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