Nature新研究精确描绘小鼠胚胎发育过程的表达谱

华盛顿大学和杰克森实验室的研究人员近日完成了一项有里程碑意义的研究，他们详细描绘了从单个受精细胞发育成复杂生物体的一系列事件。

这篇题为“A single-cell time-lapse of mouse prenatal development from gastrula to birth”的论文于2月发表在《Nature》杂志上。它不仅让研究团队能够探索哪些基因驱动了数百种细胞类型的分化，还首次表明，在新生儿出生后的一小时内，基因活性发生了迅速变化，凸显了新生儿必须快速适应环境。

共同第一作者、杰克森实验室的科学家Ian Welsh博士表示：“单细胞数据集的规模非常庞大。” Welsh博士以及杰克森实验室的副教授Stephen Murray博士在胚胎形态发生方面有着丰富的知识。他们共同设计了按发育阶段来收集样本的策略。

小鼠是一种出色的模型系统，它既有遗传上的可操作性，又在进化上与人类有着密切的关系。小鼠的妊娠期仅为3周，从单细胞发育成5亿多个细胞。在此期间，基因组精心安排了从受精卵到幼鼠的惊人转变。

华盛顿大学Jay Shendure博士领导的研究团队详细描绘了这一过程的细节。他们对来自83个胚胎的1240万个细胞核进行分析，这些胚胎覆盖从胚胎后期（胚胎第8天）到出生（出生后第0天）的产前发育阶段。

研究人员对每个细胞核中的mRNA进行测序，以确定细胞正在表达哪些基因以及这些基因的活性，最终构建出一棵从受精卵到出生的细胞类型关系树。

小鼠胚胎发育通常是在卵子受精后以24小时为单位进行研究的。这项研究的与众不同之处在于以2到6小时的时间间隔对胚胎进行精确分期，以此来提高分析的分辨率。然而，妊娠时间与发育阶段并不严格相关，不同的胚胎在不同时间达到发育的里程碑，同一窝胚胎也是如此，这使得任务变得更加复杂。

Welsh博士称：“我们对项目的贡献在于严格的样本采集，以及在‘绝对’发育时间内对样本进行精确分期。试想一下，就像将每一帧单独的画面粘在一起，试图构建出一部长篇电影。每一帧画面的时间越准确，重建电影的过程就越准确。”

在发育过程中，新的细胞类型大多是逐渐形成的，相邻时间点的细胞混合良好。让人惊讶的是从晚期胎儿到新生儿的过渡。在出生后一小时内，某些细胞类型（如肾脏、棕色脂肪等）的基因活性迅速发生了变化。这些结果强调了哺乳动物胎儿成功过渡到子宫外生活必须经历的巨大变化。

这些研究结果也为今后的研究指明了方向。例如，更好地了解婴儿出生后的适应功能及其机制有助于解释剖腹产和顺产婴儿在健康结局上的差异。研究人员希望将这一框架扩展到出生后的各个时间点，最终形成一幅哺乳动物从受孕到死亡的单细胞延时图像。