劍橋的一個生物學(xué)家，物理學(xué)家和數(shù)學(xué)建模師團(tuán)隊研究了超過100,000個胚胎細(xì)胞的遺傳活性，以建立小鼠早期胚胎發(fā)育的分子藍(lán)圖。這項新的研究提供了關(guān)于哺乳動物胚胎在原腸胚形成過程中如何發(fā)育的重要信息，這是發(fā)育的關(guān)鍵階段，并為新的生命早期階段的理解鋪平了道路。

著名的生物學(xué)家劉易斯沃爾珀特著名地說：“這不是出生，婚姻或死亡，而是真正生命中最重要的時期的原油法”。原腸胚形成代表動物(和人類)發(fā)育過程，胚胎中的前體細(xì)胞通過基因程序編程，以產(chǎn)生體內(nèi)所有不同的器官，包括大腦，心臟，肺，腸和肌肉。原腸胚形成是胚胎發(fā)育中至關(guān)重要的一步，然而，到目前為止，在分子水平上對這一過程的詳細(xì)了解已經(jīng)受到限制。

在“ 自然”雜志上發(fā)表的一項研究中，劍橋科學(xué)家們已經(jīng)制作出了第一個全面的哺乳動物原腸胚分子圖譜。在受精后6.5至8.5天測量小鼠胚胎中116,312個單細(xì)胞的遺傳活性，研究人員已經(jīng)建立了哺乳動物胚胎發(fā)育的分子藍(lán)圖。

研究人員使用尖端的單細(xì)胞技術(shù)來測量哪些基因在許多連續(xù)的時間點內(nèi)在小鼠胚胎中被激活。從在原腸胚形成開始時檢測到的少量不同細(xì)胞類型開始，細(xì)胞分支成具有不同遺傳譜的30多種不同細(xì)胞類型，所有細(xì)胞類型僅在48小時的時間跨度內(nèi)。

計算分析使科學(xué)家能夠生成“交互式地圖”，其中每個細(xì)胞用點表示，具有相似分子譜的細(xì)胞彼此靠近。這些新的地圖可以在線免費供其他研究人員使用，它說明了從一種細(xì)胞到另一種細(xì)胞的細(xì)胞發(fā)育軌跡，并展示了精確的遺傳過程，使身體的所有細(xì)胞和器官得以發(fā)展。早期胚胎起源。

“我們的新圖譜提供了一個分子藍(lán)圖，以概述胚胎發(fā)育在正常條件下如何進(jìn)行。它使我們能夠看到當(dāng)未指定的胚胎細(xì)胞增殖并分散到全身的所有特定細(xì)胞類型時，哪些不同的基因被激活”Bertie教授說。 Göttgens，Wellcome-MRC劍橋干細(xì)胞研究所的組長。“該地圖也是了解基因突變?nèi)绾纹茐呐咛ドL并導(dǎo)致發(fā)育障礙和疾病的寶貴參考點。”

研究人員通過研究Tal1來測試新的分子圖譜，Tal1是一種對正常血液發(fā)育至關(guān)重要的基因，但如果在錯誤的細(xì)胞中被激活，則可導(dǎo)致白血病。通過比較參考圖譜與超過10,000個Tal1突變細(xì)胞，研究人員能夠破譯Tal1基因突變的后果。

“為了研究Tal1在血液發(fā)育中的作用，我們將攜帶突變Tal1基因的胚胎干細(xì)胞與非常早期的正常胚胎混合制成嵌合體，”Wellcome-MRC劍橋干細(xì)胞研究所組織負(fù)責(zé)人Jenny Nichols教授解釋說。“因為這些嵌合體仍然可以從正常細(xì)胞中產(chǎn)生血液，我們能夠在適當(dāng)?shù)纳飳W(xué)背景下研究突變細(xì)胞。”

EMBL歐洲生物信息學(xué)研究所(EMBL-EBI)和英國劍橋研究所癌癥研究組組長John Marioni博士說：“通過將我們的實驗數(shù)據(jù)與分子圖中整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，我們能夠準(zhǔn)確地解釋發(fā)生了什么。在具有突變Tal1基因的細(xì)胞內(nèi)。我們可以看到突變細(xì)胞不是簡單地卡住，或決定成為不同的細(xì)胞類型，而是細(xì)胞開始表達(dá)多種不同的基因，就好像它們是對于他們應(yīng)該成熟的細(xì)胞類型感到困惑。“

研究血液發(fā)育的遺傳基礎(chǔ)只是新分子圖可用于理解正常和疾病過程的一種方式。該圖的廣泛性質(zhì)包含了胚胎中所有正在發(fā)育的細(xì)胞類型的分子信息，將使其他研究人員能夠更深入地了解整個器官的發(fā)育方式。這反過來將使科學(xué)家能夠開發(fā)用于藥物篩選的真實細(xì)胞類型的生產(chǎn)的新方案，以及旨在再生患病或衰老器官的療法。

來自Wellcome的細(xì)胞和發(fā)育科學(xué)團(tuán)隊的Sheny Chen博士說：“通過拼接這個關(guān)于細(xì)胞如何在小鼠胚胎中發(fā)育的'分子圖譜' ，研究人員為研究界創(chuàng)造了一個重??要且有用的資源?？茖W(xué)是一種協(xié)作努力這個生物學(xué)家，物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家團(tuán)隊已經(jīng)能夠?qū)υc胚形成有了新的認(rèn)識，這是一個關(guān)鍵的發(fā)育過程，產(chǎn)生了三個細(xì)胞層，可以產(chǎn)生身體的所有器官。“