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在一項新的研究中，來自美國華盛頓大學的研究人員開發出一種技術，可以定量確定斑馬魚胚胎中發生的基因活性變化，這些變化是對關鍵基因的特定編輯做出的反應。這種方法可以定量確定數千個胚胎中數百萬個細胞在發育過程中的基因活性和遺傳變異的影響。相關研究結果于2023年11月15日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“Embryo-scale reverse genetics at single-cell resolution”。

這些作者說，這一進展將加快對正常胚胎發育的研究，并促進對特定基因突變如何影響整個胚胎中的細胞并導致疾病的理解。

論文共同第一作者Lauren Saunders說，“如今我們可以利用斑馬魚來確定特定基因的缺失如何影響生物體內的所有細胞。這項新研究提供了關于基因發揮什么作用和在哪里發揮作用的重要線索，也許有一天會顯示不同的療法如何可能預防或治療相關的遺傳疾病。”

以前的研究曾繪制過斑馬魚胚胎細胞基因表達差異圖譜，但是這些圖譜沒有揭示單個胚胎之間的基因表達差異。這些早期的圖譜還缺乏中后期胚胎發生時期的緊密時間點。此外，過去的研究結果僅代表了野生型生物或一些基因擾動在單個時間點的的基因表達譜。

在這項新的研究中，這些作者標記了1800多個胚胎的轉錄組。然后，他們通過在胚胎發育過程中的 19 個時間點取樣，追蹤每種細胞類型隨時間發生的變化。他們還引入了23種不同的基因擾動，從而可以看到每種突變如何隨著時間的推移影響生物體內所有細胞類型的基因表達和細胞發育。

為了追蹤哪些細胞來自哪些胚胎，這些作者使用了一種名為sci-Plex的技術，這種技術是由華盛頓大學醫學院基因組科學副教授Cole Trapnell實驗室和華盛頓大學醫學院基因組科學教授Jay Shendure實驗室開發的。

利用這種技術，這些作者首先用較短的DNA 分子標記每個胚胎的細胞核，每個胚胎都攜帶一種獨特的序列。這些序列就像一個條形碼，讓他們能夠識別哪個細胞來自哪個胚胎。通過這種方法，他們追蹤了他們分析的300 多萬個細胞。

為了確定每種細胞類型中哪些基因處于活躍狀態，他們利用了這樣一個事實：當一個基因處于活躍狀態時，它的DNA 中編碼的遺傳指令必須首先被復制到一種叫做信使 RNA（mRNA）的相關分子中。然后，細胞以 mRNA 編碼的指令為藍本，合成該基因編碼的蛋白。當一個基因活躍時，它的mRNA 水平會在細胞內上升；當它不活躍時，它的mRNA 水平較低或不存在。因此，mRNA 水平能告訴你一個基因何時“開啟”或“關閉”。

利用寡核苷酸散列法收集個體分辨的單細胞斑馬魚圖譜。圖片來自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06720-2。

由于每種細胞類型都有不同的功能和不同的基因表達特征，因此僅通過測量 mRNA 就能確定哪些細胞代表不同的細胞類型。因此，這些作者不僅可以定量確定基因表達如何隨基因擾動而變化，還可以定量確定胚胎中某些細胞群體是增加了還是減少了。

Saunders說，這些發現將擴展有關正常和異常胚胎發育的知識，并促進對動物和人類進化的了解。

這些作者發現，細胞的胚胎起源、最終結果及其基因表達譜之間存在一些令人驚訝的關系。通過研究對脊索（notochord）發育非常重要的基因，他們發現，具有類似脊索的基因表達譜的細胞反而是早期顱底軟骨（skull base cartilage）。

Saunders說，“在斑馬魚和人類中，顱骨有兩個胚胎起源。我們發現，成為顱骨底部的細胞類似于脊索的細胞，并不類似于包括面部在內的早期顱軟骨的其他部分中的細胞。目前還不清楚前一個細胞群體是如何進化的，我們的數據如今使我們能夠就顱軟骨生成細胞在脊椎動物進化過程中是如何產生的提出新的假設。”

參考資料：

Lauren M. Saunders et al. Embryo-scale reverse genetics at single-cell resolution. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06720-2.

Study details gene activity in cells of developing embryo

https://newsroom.uw.edu/news/study-details-gene-activity-cells-developing-embryo