經(jīng)過13次快速分裂后，受精的蠅卵由約6,000個細胞組成。它們在顯微鏡下看起來都很相似。然而，黑腹果蠅的每個細胞胚胎已經(jīng)知道它是否注定要成為神經(jīng)元或肌肉細胞 - 或腸道，頭部或尾巴的一部分。現(xiàn)在，Helmholtz協(xié)會(MDC)MaxDelbrück分子醫(yī)學中心柏林醫(yī)學系統(tǒng)生物學研究所(BIMSB)的Nikolaus Rajewsky和Robert Zinzen團隊分析了數(shù)千個單細胞的獨特基因表達譜并重新組裝胚胎從這些數(shù)據(jù)中使用新的空間映射算法。結(jié)果是虛擬飛胚在這個時間點準確顯示哪些基因是活躍的。“它基本上是早期發(fā)育的轉(zhuǎn)錄組藍圖，”神經(jīng)組織分化實驗室系統(tǒng)生物學主管Robert Zinzen說。他們的論文作為科學在線問題的第一版發(fā)布。

“最近才有可能大規(guī)模分析單個細胞的全基因組基因表達.Nikolaus很早就認識到這種技術的潛力，并在他的實驗室中建立了它，”Zinzen說。“他開始懷疑 - 給定一個復雜的有組織組織 - 一個人能夠單獨從單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)計算全基因組空間基因表達模式。”BIMSB結(jié)合了具有不同背景和專業(yè)知識的實驗室，強調(diào)了為生物問題帶來計算能力的需求。事實證明，研究所不僅有完美的模型系統(tǒng) -果蠅胚胎 - 來解決Rajewsky的問題，而且還有正確的人才，具有正確的專業(yè)知識，

“虛擬胚胎不僅僅是一種細胞標測運動，”基因調(diào)控元素實驗室系統(tǒng)生物學主任Nikolaus Rajewsky說道，他在研究果蠅胚胎期間的基因調(diào)控元件15年后享受回歸飛行發(fā)展的樂趣。洛克菲勒大學的博士時間。使用交互式DrosophilaVirtual Expression eXplorer(DVEX)數(shù)據(jù)庫，研究人員現(xiàn)在可以查看大約8,000個表達基因中的任何一個在每個細胞中詢問，“基因X，你在哪里表達，在什么水平?在同一時間和同一細胞中有哪些其他基因活躍?”它也適用于神秘的長非編碼RNA。“不是耗時的成像實驗，科學家們可以通過虛擬實驗來識別新的監(jiān)管機構(gòu)，甚至可以獲得生物機制的想法，”Rajewsky說。“通常需要數(shù)年才能使用標準方法，現(xiàn)在可以在幾個小時內(nèi)完成。”

打破第一個細胞分裂的同步性

在他們的論文中，MDC的研究人員描述了十幾種新的轉(zhuǎn)錄因子和更多以前從未研究過的長非編碼RNA。此外，他們提出了一個困擾科學家35年的問題的答案：胚胎如何破壞細胞分裂的同步性以發(fā)展更復雜的結(jié)構(gòu)?

在稱為原腸胚形成的過程中，形成不同的胚層，并且細胞在它們可能分化成哪些組織和器官方面受到限制。“我們相信河馬信號通路至少部分地負責建立原腸胚，”Rajewsky說。該途徑控制器官大小，細胞周期和細胞增殖，但從未涉及早期胚胎的發(fā)育。“我們不僅表明Hippo在蒼蠅中是活躍的，而且我們甚至可以預測胚胎的哪個區(qū)域會導致有絲分裂的不同發(fā)作，從而打破同步性。這只是我們的工具有用的一個例子。了解逃避傳統(tǒng)科學的機制。“

項目經(jīng)歷了艱難的醞釀期

當研究人員開始創(chuàng)建虛擬胚胎時，他們不知道是否可能。Drop-Seq技術是Dropf Seq技術的最重要成果，它是一種基于液滴的微流體方法，可以低成本對數(shù)千個細胞進行轉(zhuǎn)錄分析。這項技術是夏季學生Jonathan Alles在Rajewsky實驗室新設立的。

然而，需要在原腸胚形成開始時精確選擇蒼蠅胚胎。羅伯特·辛森實驗室的博士生菲利普·瓦勒(Philipp Wahle)親手挑選了大約5,000名學生，然后將他們分成單個細胞。“我確信這會給我們一個大而完全獨特的數(shù)據(jù)集。這對我來說是一個很好的動力，”Wahle說。這個艱苦的過程帶來了新的挑戰(zhàn)。“你需要收集幾次會議以獲得足夠的材料進行測序運行，”負責單細胞測序團隊的Christine Kocks說。它由Jonathan Alles，Salah Ayoub和Anastasiya Boltengagen組成，他們與計算科學家Nikos Karaiskos共同優(yōu)化了基于液滴的測序。“所以我們必須找到一種方法來穩(wěn)定細胞中的轉(zhuǎn)錄組，”Kocks補充道。“最后，基于他早期對C. elegans胚胎的研究，Nikolaus建議使用甲醇。”新的單細胞固定方法于2017年5月在BMC Biology上發(fā)表。

隨著數(shù)據(jù)變得越來越好，Rajewsky實驗室的理論物理學家和計算專家Nikos Karaiskos接受了將如此大量細胞空間映射到其精確胚胎位置的挑戰(zhàn)。空間轉(zhuǎn)錄組學領域中現(xiàn)有的方法都不適合重建果蠅胚胎。“這是一個反復過程，過濾數(shù)據(jù)，看看里面是什么，并試圖繪制它。它一路上改變了很多次，”卡拉斯科斯說。計算機實驗室成員和濕實驗室交換之間有很多來回，這是BIMSB的一個明確特征。“我不得不一直質(zhì)疑我的工作，看看它缺乏的地方，并開發(fā)出更好的東西。”他提出了一種名為DistMap的新算法，可以將細胞的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)映射到虛擬胚胎中的原始位置。

瀏覽未知領域

虛擬胚胎的構(gòu)建使Karaiskos能夠容易地預測數(shù)千個基因的表達，這是傳統(tǒng)實驗手段幾乎不可能完成的任務。Philipp Wahle在Claudia Kipar的支持下，通過用傳統(tǒng)方法在工作臺上觀察基因表達譜來驗證這些預測：原位雜交允許用顯微鏡下可見的彩色染料可視化基因表達模式。“在這個階段，單層細胞圍繞整個蒼蠅胚胎，”Wahle說。“這使得它非常易于訪問，因此您可以將計算數(shù)據(jù)與成像進行比較。”

這是第一次可以單獨觀察大約6,000個胚胎細胞，評估它們的基因表達譜 - 并了解決定它們在胚胎中的行為的原因。“這項研究最重要的技術進步是，我們不會失去了解胚胎細胞協(xié)同作用所需的空間信息，”科學家說。“這真的是一個未知的領域，需要新的生物信息學方法來理解所收集的數(shù)據(jù)。這在我們的合作中非常有效，尤其是因為Rajewsky實驗室的獨特構(gòu)成，它整合了濕實驗室和計算方法。”拉杰維斯基說，一個主要的優(yōu)勢是，這兩個群體不僅對技術感興趣，而且還有特定的生物學問題來激勵他們。“羅伯特對早期發(fā)展有著深刻的理解。我們可以進行單細胞測序運行，并具有開發(fā)工具的計算能力，這些工具可幫助我們真正了解潛在的基因調(diào)控相互作用。“

這些小組已經(jīng)在計劃后續(xù)項目。一個例子是在不同的時間點映射細胞以觀察它們?nèi)绾我黄鸸ぷ饕孕纬善鞴俸徒M織。另一種方法是檢查映射方法是否適用于更復雜的組織。