在我們出生之前很久的成長(zhǎng)時(shí)期是一個(gè)令人難以置信的發(fā)展時(shí)期。在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，我們和其他哺乳動(dòng)物從幾層薄薄的細(xì)胞層中創(chuàng)造出我們身體的幾十個(gè)不同的器官。在老鼠中，那段時(shí)間只有四天。在人類中，它在妊娠頭三個(gè)月結(jié)束前完成。

現(xiàn)在，UW Medicine艾倫探索中心的研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)新研究追蹤了發(fā)育中的小鼠中細(xì)胞器官形成的重要時(shí)期。今天發(fā)表在Nature雜志上，這項(xiàng)研究是迄今為止最大的同類數(shù)據(jù)集。該研究捕獲了在200萬個(gè)不同細(xì)胞中打開和關(guān)閉的基因，因?yàn)樗鼈儚牟幻黠@的細(xì)胞前體變?yōu)閯?dòng)物的胃，肌肉，大腦，皮膚和其他一切。

了解我們?nèi)绾螐囊粋€(gè)細(xì)胞生長(zhǎng)成數(shù)千種不同類型的細(xì)胞，所有這些細(xì)胞都連接在一起，共同發(fā)揮作用，使我們成年人的身體，不僅對(duì)于理解人類生物學(xué)，而且對(duì)于了解生命本身至關(guān)重要，Jay Shendure博士，醫(yī)學(xué)博士說。這位研究的高級(jí)作者和艾倫探索中心的負(fù)責(zé)人。

“我們每個(gè)人都來自一個(gè)單一的細(xì)胞 - 不僅是每個(gè)人，而是地球上的每一個(gè)多細(xì)胞生物體。這些細(xì)胞譜系導(dǎo)致我們成為有功能的生物體，但也是使我們團(tuán)結(jié)起來的，”Shendure說，他也是研究者。霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所和華盛頓大學(xué)基因組科學(xué)教授。“生命之樹的主要子集共享這個(gè)一般的發(fā)展計(jì)劃。”

發(fā)展也是許多人類疾病的基礎(chǔ)，甚至那些直到很晚才出現(xiàn)的疾病。

Shendure說：“不僅發(fā)育性疾病，而且成年期的無數(shù)常見疾病在發(fā)育過程中都有一些根源，我們還不能很好地理解這些事情。”

了解我們的遺傳計(jì)劃

這項(xiàng)研究依賴于由Junyue Cao開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，他是一名在艾倫探索中心工作的華盛頓大學(xué)研究生，也是該論文的共同主要作者，負(fù)責(zé)測(cè)量單個(gè)細(xì)胞如何打開和關(guān)閉基因，也稱為基因表達(dá)。跨越動(dòng)物身體的各個(gè)部分和不同的發(fā)育階段。研究人員用一組獨(dú)特的三個(gè)分子條形碼標(biāo)記每個(gè)細(xì)胞基因的輸出，然后與細(xì)胞基因表達(dá)數(shù)據(jù)的其余部分同時(shí)讀出。

這種三重標(biāo)記意味著研究人員可以在一個(gè)試管中將許多細(xì)胞混合在一起以捕獲它們的基因表達(dá)，并且由于它們各自的條形碼，仍然可以將這些基因產(chǎn)物追溯到單個(gè)細(xì)胞。這就是為什么曹可以在兩周內(nèi)完成這個(gè)200萬個(gè)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的原因，但是技術(shù)開發(fā)本身花了將近一年的時(shí)間 - 分析所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也是如此。

Cao與前UW博士后研究員Malte Spielmann博士一起，他是該研究的共同第一作者，現(xiàn)在是馬克斯普朗克分子遺傳學(xué)研究所的研究員，他使用這種方法來研究單細(xì)胞的基因表達(dá)。在為期四天的發(fā)育窗口中，不同年齡的實(shí)驗(yàn)室小鼠胚胎。他們的分析沒有捕獲這些胚胎中的每一個(gè)細(xì)胞，但從研究人員的估計(jì)，他們?cè)谝恍┌l(fā)育階段非常接近。他們能夠在最早的胚胎中研究大約80%的細(xì)胞，在稍早的胚胎中研究3%到20%的細(xì)胞。

這項(xiàng)工作與研究發(fā)育生物學(xué)的經(jīng)典方法有很大不同，研究人員會(huì)改變單個(gè)基因或少數(shù)幾個(gè)基因，看看結(jié)果發(fā)育動(dòng)物的結(jié)構(gòu)發(fā)生了哪些變化。

“這種方法只能讓你對(duì)這種潛在的遺傳發(fā)育結(jié)構(gòu)有所了解，”威斯康星大學(xué)基因組科學(xué)助理教授，威斯康星大學(xué)艾倫探索中心成員Cole Trapnell博士說。Trapnell也是這項(xiàng)研究的資深作者。“如果您能夠以極高的分辨率觀察整個(gè)過程，然后應(yīng)用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)算法來組織數(shù)據(jù)，那么您可能能夠繪制出更大的控制開發(fā)的遺傳程序，”他說。

這項(xiàng)研究還沒有完成。研究人員沒有跟蹤他們開發(fā)的同一動(dòng)物中的??細(xì)胞，盡管這種譜系追蹤是他們的長(zhǎng)期目標(biāo)之一。研究人員表示，這是在這條道路上邁出的一步，仍然可以提供有關(guān)發(fā)展生物學(xué)的寶貴信息。

在他們的研究中，他們深入研究了幾種關(guān)鍵的發(fā)育類型，即肢體和骨骼肌的形成，兩種在小鼠和人類中非常相似的一般過程。研究人員發(fā)現(xiàn)數(shù)百個(gè)基因在特定細(xì)胞中在短時(shí)間內(nèi)開啟和關(guān)閉，這些細(xì)胞驅(qū)動(dòng)腿部發(fā)育，這些基因在之前的研究中沒有與這些細(xì)胞相關(guān)聯(lián)。他們說，他們還不知道這些基因在做什么，還有更多內(nèi)容尚未發(fā)現(xiàn)。

特拉普內(nèi)爾說：“我們需要花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間來研究這些數(shù)據(jù)，以便我們覺得我們已經(jīng)筋疲力盡了。” “我們實(shí)際上只是在揭示這些數(shù)據(jù)對(duì)于該領(lǐng)域意味著什么。”