《Nature》海量数据库追踪哺乳动物器官发育

　　

在我们出生之前的成长初期，相对较短的时间里我们和其他哺乳动物从一些单薄的细胞层创造出数十种不同的器官。这个过程，在小鼠身上只需短短四天，对人类来说，在怀孕前三个月就已经完成了。

现在，华盛顿大学医学院艾伦发现中心的研究人员进行了一项新研究，一个细胞一个细胞地追踪小鼠器官形成的重要时期。今天这项研究发表在Nature杂志，是迄今为止同类研究中最大的数据集。

这项研究捕捉到了200万个不同细胞的开关基因，细胞从未分化的细胞前体转变为动物的胃、肌肉、大脑、皮肤以及其他之间的一切。

“了解我们如何从一个细胞长成数千种不同类型的细胞，所有这些细胞都相互连接并共同作用，形成我们的成人身体，这不仅对了解人类生物学，而且对了解大部分生命本身都是至关重要的，”艾伦发现中心的资深作者Jay Shendure博士说。

“地球上每种多细胞生物，包括我们人类，都来自一个细胞，细胞谱系引导我们成为功能有机体，”Shendure说。

发育也是许多人类疾病的基础，包括那些在生命后期才显现出来的疾病。

“无数成年期常见疾病都能在发育过程中找到根源，但我们还不太了解这些问题，”Shendure说。

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这项研究依赖于华盛顿大学的研究生Junyue Cao开发的一项新技术，该技术通过动物身体各个部位和不同发育阶段的单独细胞来测量基因是如何打开和关闭的（也称为基因表达）。研究人员利用一组独特的三分子条形码对每个细胞的基因输出进行标记，这些条形码与细胞的其余基因表达数据同步读取（sci-RNA-seq3）。

与Cao一起工作的还有博后研究员Malte Spielmann，他们是本文的共同一作，利用这种方法研究了61只实验室小鼠的胚胎在4天内的不同发育时期的单细胞基因表达。

虽然他们的分析并没有覆盖胚胎中的每一个细胞，但研究学者估计，他们已经非常完美的接近部分真实的发育阶段了——他们研究了早期胚胎发育中80%的细胞，以及稍后胚胎的20%细胞。

研究发育生物学的经典方法通常是突变一个或几个基因，并观察由此产生的发育结构变化。“这种方法只能让你大概知道发育的潜在遗传结构，”艾伦发现中心成员、华盛顿大学基因组科学副教授Cole Trapnell博士说。“如果你能观察到整个过程以难以置信的高分辨率展开，然后应用复杂的计算机算法来组织数据，那么你就可以绘制出控制发育的更大的基因程序。”

这项研究距离这个目标还差一点点，因为研究人员目前无法追踪同一只动物的细胞，这种谱系追踪将是他们的长期目标之一。但文章作者表示，在这条路上，我们又看到了许多有价值的信息。

他们深入地研究了几个关键的发育类型，四肢和骨骼肌的形成，人和小鼠的发育轨迹非常类似。研究人员发现，在驱动腿部发育的特定细胞中，有数百个基因在短时间内开开关关，这些基因以前从未报道过与这些细胞有关。目前，他们还不知道这些基因在做什么，这个数据集还有太多问题有待探索。

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原文检索：The single-cell transcriptional landscape of mammalian organogenesis

（生物通：伍松）