Cell：单细胞图谱呈现斑马鱼发育的时空动态

美国旧金山陈-扎克伯格生物中心领导的研究团队近日绘制出斑马鱼胚胎发育的动态图谱。这份名为Zebrahub的图谱整合了单细胞测序的时间进程数据和光片显微镜助力的谱系重建，有助于人们深入了解斑马鱼的发育过程。

这项研究成果于2024年10月24日发表在《Cell》杂志上。它以可点击、可导航的方式呈现发育地图，类似于发育生物学中的谷歌地图。

Zebrahub目前免费提供给研究人员使用，包括专为生物学家设计的内置分析工具。研究人员在论文中写道，这个资源是目前最全面的图谱，朝着“开创发育和进化生物学的新时代”迈出了重要一步。

资深作者、陈-扎克伯格生物中心的Loïc Royer博士评论道：“生命体如何从单细胞发育成整个身体，这是生物学最大的谜团之一。通过Zebrahub，我们绘制出有史以来最详细描述这一过程的地图。”

斑马鱼是一种原产于南亚的淡水物种，成年斑马鱼的体长很少超过两英寸。一直以来，斑马鱼都被用于与人类健康相关的发育研究。大约70%的人类基因在斑马鱼中都能找到对应物，而且身体各部分的发育过程大致相同。

最重要的是，斑马鱼胚胎基本上是透明的，而且与小鼠不同，胚胎在母体外发育，因此科学家可以在显微镜下仔细观察它们的早期生长过程。不过，即使有了这样强大的模型，发育生物学研究也还是零零散散地开展的，目前还没有一个系统来考虑整体发育过程。

陈-扎克伯格生物中心的研究人员希望通过Zebrahub来改变这种状况，让人们从一份图谱中轻松获取各个过程的信息。此外，Zebrahub还首次提供了单个胚胎特有的基因表达数据，这样有助于比较导致不同健康结果的微小表达差异。

Zebrahub特有两个主要数据集。第一个数据集提供了延时视频，显示受精后24小时内斑马鱼胚胎中大多数细胞的产生和运动，在此期间器官开始形成。第二个数据集则提供了最初10天内10个不同时间点的数据，显示斑马鱼细胞中的哪些基因处于活跃状态。

“我们将单个斑马鱼胚胎的光片显微镜结果与scRNA-seq数据相结合，以时空分辨率构建了一份细胞谱系和分子状态的多模态图谱，”研究人员解释说。“通过整合成像和测序数据集，我们将两种模态的优势结合在一起。”

为了制作延时视频，陈-扎克伯格生物中心的科学家和工程师设计并制作了一台名为“DaXi”的自动显微镜，它有着大的视场，能够捕捉整个活体胚胎的图像。这种光片显微镜以一种独特的方式发射和捕捉光线，尽量保护胚胎免受高强度激光束的伤害。

研究人员指出：“为了对迅速发育的胚胎中的细胞运动进行成像和精准追踪，我们采用了一种单目标的光片显微镜（DaXi），它能够在大体积（> 1 mm³）范围内进行高分辨率成像，而无需耗时的样本制备过程。”

然后，为了让科学家们能够轻松地使用视频来研究特定细胞，软件工程师Jordão Bragantini博士带领团队开发了一个名为Ultrack的程序，它能够自动识别细胞核并在三维空间中追踪它们在视频中的运动。

“我们使用了基于深度学习的细胞核分割算法和细胞跟踪算法（Ultrack），从单细胞轨迹中重建高分辨率的命运地图，”他们谈道。这些工具生成的数据集让研究人员能够进行虚拟实验，检查细胞在发育过程中的起点和终点，甚至模拟它们的发育轨迹。

在开发过程中，研究团队收获了一些有趣的发现。例如，他们观察到胚胎尾部的一个细胞亚群——神经中胚层祖细胞（NMP），以前的研究认为这些细胞只能产生一种类型的组织。然而，当研究人员分析细胞的运动和扩增时，他们意识到这些细胞同时发育成肌肉细胞和神经元，并整合到脊髓中。

研究人员表示：“Zebrahub的数据集和技术组合有助于完善我们对谱系的理解，协助回答有关细胞命运动态的更精细问题……除了NMP，这一资源还将揭示其他重要的发育过程。Zebrahub有望扩展到更多的发育阶段和多组学数据集，最终实现多个胚胎的数字谱系重建。”

Zebrahub也支持了其他实验室的研究工作。阿什兰大学和纽约州立大学的研究人员将Zebrahub与他们自己的细胞图谱相结合，以研究哪些蛋白质可能与白内障的形成有关。为此，他们利用Zebrahub的基因表达数据库，查看晶状体细胞中与疾病相关的基因何时激活或失活。

阿什兰大学的生物学教授Mason Posner博士称：“斑马鱼真的很小，我们很难把晶状体剥离出来，以了解哪些基因在这个区域起作用。Zebrahub为我们完成了这项工作，让我们可以深入了解，比如说，这种组织如何变得透明并发挥功能。”