单细胞测序探索大脑发育取得的高阶成就

为了了解颅神经嵴细胞(CNCCs)是如何帮助形成比头骨和面部骨骼更多的身体部位的，Gage Crump实验室的科学家们随着时间的推移创建了一系列的地图集，以理解CNCCs在斑马鱼发育过程中致力于形成特定组织的分子决定。

　　

   

   

红色的共聚焦显微镜图像显示一条成年斑马鱼头部的神经嵴衍生细胞。Crump实验室已经使用单细胞测序来了解这些细胞是如何构建和修复头部骨骼的，这对理解人类颅面出生缺陷和改善骨骼组织的修复具有重要意义。

颅神经嵴细胞，简称CNCCs。这些非凡的干细胞不仅形成了从鱼类到人类的所有脊椎动物的大部分头骨和面部骨骼，而且还可以生成从鳃到角膜的一切器官。为了了解这种多功能性，Gage Crump实验室的科学家们随着时间的推移创建了一系列地图集，以了解CNCCs在斑马鱼发育过程中致力于形成特定组织的分子决定。他们的发现发表在《Nature Communications》杂志上，可能为正常头部发育以及颅面出生缺陷提供新的见解。

“CNCCs能够产生的难以置信的细胞类型多样性长期以来一直吸引着生物学家。通过研究基因可控的斑马鱼的这一过程，我们已经确定了许多潜在的开关，允许CNCCs形成这些非常不同的细胞类型，”Crump说，他是南加州大学凯克医学院干细胞生物学和再生医学教授。

在博士后Peter Fabian和博士生Kuo-Chang Tseng、Mathi Thiruppathy和Claire Arata的带领下，这个科学家团队用红色荧光蛋白永久标记CNCCs，以跟踪哪些细胞类型来自于斑马鱼的整个生命周期。然后，他们使用了一种强大的方法，被称为“单细胞基因组学”，通过数十万个单个CNCC来识别整套活性基因和DNA的组织。产生的海量数据要求科学家们开发一种新的计算工具来理解这些数据。

Fabian说:“我们创建了一种计算分析，我们称之为‘星座’，因为这项技术的最终视觉输出让人想起天空中的星座。与占星术相比，我们的星座算法确实可以预测细胞的未来，并揭示可能控制细胞发育的关键基因。”

通过这种新的生物信息学方法，研究小组发现，CNCCs一开始并不具备制造细胞类型巨大多样性所需的所有信息。相反，只有在它们在整个胚胎中分散之后，CNCCs才开始重组它们的遗传物质，为成为特定的组织做准备。星座准确地识别了指向CNCCs这些特定命运的遗传信号。现实生活中的实验证实，星座正确地确定了“FOX”基因家族在面部软骨形成中的作用，以及“GATA”基因在鳃呼吸细胞类型形成中的功能，这是以前未被重视的，使鱼能够呼吸。

Crump说：“通过对脊椎动物细胞群进行迄今为止最全面的单细胞研究，我们不仅对脊椎动物头部的发育有了重要的了解，而且还为研究全身器官系统的发育和再生创造了一个广泛有用的计算工具。”

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杂志

Nature Communications

DOI

10.1038/s41467-021-27594-w