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大量数据库通过单细胞追踪哺乳动物器官发育细胞

2019-02-23 10:22:17 • 来源：

在我们出生之前很久的成长时期是一个令人难以置信的发展时期。在相对较短的时间内，我们和其他哺乳动物从几层薄薄的细胞层中创造出我们身体的几十个不同的器官。在老鼠中，那段时间只有四天。在人类中，它在妊娠头三个月结束前完成。

大量数据库通过单细胞追踪哺乳动物器官发育细胞

现在，UW Medicine艾伦探索中心的研究人员进行的一项新研究追踪了发育中的小鼠中细胞器官形成的重要时期。今天发表在Nature杂志上，这项研究是迄今为止最大的同类数据集。该研究捕获了在200万个不同细胞中打开和关闭的基因，因为它们从不明显的细胞前体变为动物的胃，肌肉，大脑，皮肤和其他一切。

了解我们如何从一个细胞生长成数千种不同类型的细胞，所有这些细胞都连接在一起，共同发挥作用，使我们成年人的身体，不仅对于理解人类生物学，而且对于了解生命本身至关重要，Jay Shendure博士，医学博士说。这位研究的高级作者和艾伦探索中心的负责人。

“我们每个人都来自一个单一的细胞 - 不仅是每个人，而是地球上的每一个多细胞生物体。这些细胞谱系导致我们成为有功能的生物体，但也是使我们团结起来的，”Shendure说，他也是研究者。霍华德休斯医学研究所和华盛顿大学基因组科学教授。“生命之树的主要子集共享这个一般的发展计划。”

发展也是许多人类疾病的基础，甚至那些直到很晚才出现的疾病。

Shendure说：“不仅发育性疾病，而且成年期的无数常见疾病在发育过程中都有一些根源，我们还不能很好地理解这些事情。”

了解我们的遗传计划

这项研究依赖于由Junyue Cao开发的一项新技术，他是一名在艾伦探索中心工作的华盛顿大学研究生，也是该论文的共同主要作者，负责测量单个细胞如何打开和关闭基因，也称为基因表达。跨越动物身体的各个部分和不同的发育阶段。研究人员用一组独特的三个分子条形码标记每个细胞基因的输出，然后与细胞基因表达数据的其余部分同时读出。

这种三重标记意味着研究人员可以在一个试管中将许多细胞混合在一起以捕获它们的基因表达，并且由于它们各自的条形码，仍然可以将这些基因产物追溯到单个细胞。这就是为什么曹可以在两周内完成这个200万个细胞实验的原因，但是技术开发本身花了将近一年的时间 - 分析所产生的数据也是如此。

Cao与前UW博士后研究员Malte Spielmann博士一起，他是该研究的共同第一作者，现在是马克斯普朗克分子遗传学研究所的研究员，他使用这种方法来研究单细胞的基因表达。在为期四天的发育窗口中，不同年龄的实验室小鼠胚胎。他们的分析没有捕获这些胚胎中的每一个细胞，但从研究人员的估计，他们在一些发育阶段非常接近。他们能够在最早的胚胎中研究大约80%的细胞，在稍早的胚胎中研究3%到20%的细胞。

这项工作与研究发育生物学的经典方法有很大不同，研究人员会改变单个基因或少数几个基因，看看结果发育动物的结构发生了哪些变化。

“这种方法只能让你对这种潜在的遗传发育结构有所了解，”威斯康星大学基因组科学助理教授，威斯康星大学艾伦探索中心成员Cole Trapnell博士说。Trapnell也是这项研究的资深作者。“如果您能够以极高的分辨率观察整个过程，然后应用复杂的计算机算法来组织数据，那么您可能能够绘制出更大的控制开发的遗传程序，”他说。

这项研究还没有完成。研究人员没有跟踪他们开发的同一动物中的​​细胞，尽管这种谱系追踪是他们的长期目标之一。研究人员表示，这是在这条道路上迈出的一步，仍然可以提供有关发展生物学的宝贵信息。

在他们的研究中，他们深入研究了几种关键的发育类型，即肢体和骨骼肌的形成，两种在小鼠和人类中非常相似的一般过程。研究人员发现数百个基因在特定细胞中在短时间内开启和关闭，这些细胞驱动腿部发育，这些基因在之前的研究中没有与这些细胞相关联。他们说，他们还不知道这些基因在做什么，还有更多内容尚未发现。

特拉普内尔说：“我们需要花费数年的时间来研究这些数据，以便我们觉得我们已经筋疲力尽了。” “我们实际上只是在揭示这些数据对于该领域意味着什么。”

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