两篇Nature文章利用单细胞转录组学来追踪胚胎发育

近日，两项发表在《Nature》杂志上的新研究突出了单细胞转录组学技术的潜力，可协助人们追踪发育中的模式生物的细胞和分子表型。

Single-cell, whole-embryo phenotyping of mammalian developmental disorders

在第一项研究中，德国基尔大学、马斯克普朗克分子遗传学研究所和美国华盛顿大学西雅图分校等机构的研究人员利用单细胞RNA测序技术，对101个小鼠胚胎（E13.5）中的160多万个细胞核进行分析。这些胚胎代表了4种野生基因型和22种突变基因型，后者代表了不同严重程度的表型缺陷。

从2011年开始，国际小鼠表型分析联盟（International Mouse Phenotyping Consortium）致力于构建数千个基因敲除小鼠品系，以此来实现小鼠中每个蛋白编码基因的“功能化”。“原则上，这里介绍的全胚胎scRNA-seq表型分析方法可以扩展到所有的孟德尔基因，”作者写道。

在几种分析算法的帮助下，研究人员利用小鼠发育胚胎的单细胞转录组特征来追踪突变小鼠的数十种细胞类型的特异性基因表达和发育轨迹。他们还利用之前构建的小鼠器官发生细胞图谱（E9.5至E13.5）来验证分期。

共同通讯作者、基尔大学人类遗传学研究所所长Malte Spielmann表示：“在这项研究中，我们采用了一种完全无偏的方法，通过100多个胚胎的单细胞RNA测序，对整个胚胎进行分析。”

他指出，显微镜和组织学等传统的表型分析方法跟不上基因编辑或基因敲除策略的步伐。相比之下，他们使用的全胚胎表型分析方法确实可以测定敲除或改变单个小鼠基因对多个器官造成的影响，而以往的老方法可能会遗漏这些多重效应。

研究人员发现，在此次分析的部分突变胚胎中，数十种细胞类型的轨迹彻底改变，但在其他的突变胚胎中，变化则更加细微，只涉及到有限的细胞亚群。

同样地，他们还指出，检测到的胚胎间差异并不局限于突变小鼠的基因型。相反，他们的结果凸显了不同野生基因型胚胎之间的差异，同时还阐明了与功能缺失改变、功能获得改变、缺失及其他变异有关的表型特征。

研究人员报告称，“我们的研究结果表明，通过对整个胚胎进行单细胞分析，能够以前所未有的广度和分辨率对突变小鼠进行分子和细胞表型的系统表征。”

Embryo-scale reverse genetics at single-cell resolution

在第二项研究中，华盛顿大学西雅图分校领导的研究团队采用胚胎条形码、多重分析和单细胞核RNA测序策略来评估发育中的斑马鱼模型，鉴定出33种主要组织中的99种细胞类型和156种细胞亚型。

研究人员在文中写道：“与传统的表型分析策略相比，我们可扩展的方法灵活、全面、经济且更加均一。我们预计，这种新的实验和分析流程能够对整个动物进行高分辨率的快速表型分析，从而更好地了解发育生物体的各个细胞类型的遗传依赖关系。”

这项工作囊括了1,812个斑马鱼胚胎中约320万个细胞，覆盖19个时间点，其中既包含野生型胚胎，也包含带有23种不同遗传改变的胚胎。

“我们的研究具有高度的可重复性（每种条件有8个或以上的胚胎），这使得我们能够估计整个生物体内细胞类型丰度的差异，并检测遗传扰动造成的细胞类型组成差异（相对于野生型胚胎），”作者解释说。

通过深入分析单细胞转录组图谱、细胞类型丰度差异数据、差异表达基因及胚胎的其他特征，研究人员发现了遗传扰动的后果，同时获得了相关发育过程的新线索。

研究人员认为，随着研究界不断积累整个胚胎的单细胞转录表型，利用计算和统计工具来发现脊椎动物基因组如何控制发育的潜力将会越来越大。