逐步重建生命逐个细胞

作者:admin 来源:未知 点击数: 发布时间:2019年06月14日

  颠末13次快速割裂后,受精的蝇卵由约6,000个细胞构成。它们在显微镜下看起来都很类似。然而,黑腹果蝇的每个细胞胚胎曾经晓得它能否必定要成为神经元或肌肉细胞 - 或肠道,头部或尾巴的一部门。此刻,Helmholtz协会(MDC)MaxDelbrck分子医学核心柏林医学系统生物学研究所(BIMSB)的Nikolaus Rajewsky和Robert Zinzen团队阐发了数千个单细胞的奇特基因表达谱并从头拆卸胚胎从这些数据中利用新的空间映照算法。成果是虚拟飞胚在这个时间点精确显示哪些基因是活跃的。“它根基上是晚期发育的转录组蓝图,”神经组织分化尝试室系统生物学主管Robert Zinzen说。他们的论文作为科学在线问题的第一版发布。

  “比来才有可能大规模阐发单个细胞的全基因组基因表达.Nikolaus很早就认识到这种手艺的潜力,并在他的尝试室中成立了它,”Zinzen说。“他起头思疑 - 给定一个复杂的有组织组织 - 一小我可以或许零丁从单细胞转录组数据计较全基因组空间基因表达模式。”BIMSB连系了具有分歧布景和专业学问的尝试室,强调了为生物问题带来计较能力的需求。现实证明,研究所不只有完满的模子系统 -果蝇胚胎 - 来处理Rajewsky的问题,并且还有准确的人才,具有准确的专业学问,

  “虚拟胚胎不只仅是一种细胞标测活动,”基因调控元素尝试室系统生物学主任Nikolaus Rajewsky说道,他在研究果蝇胚胎期间的基因调控元件15年后享受回归飞翔成长的乐趣。洛克菲勒大学的博士时间。利用交互式DrosophilaVirtual Expression eXplorer(DVEX)数据库,研究人员此刻能够查看大约8,000个表达基因中的任何一个在每个细胞中扣问,“基因X,你在哪里表达,在什么程度?在统一时间和统一细胞中有哪些其他基因活跃?”它也合用于奥秘的长非编码RNA。“不是耗时的成像尝试,科学家们能够通过虚拟尝试来识别新的监管机构,以至能够获得生物机制的设法,”Rajewsky说。“凡是需要数年才能利用尺度方式,此刻能够在几个小时内完成。”

  打破第一个细胞割裂的同步性

  在他们的论文中,MDC的研究人员描述了十几种新的转录因子和更多以前从未研究过的长非编码RNA。此外,他们提出了一个搅扰科学家35年的问题的谜底:胚胎若何粉碎细胞割裂的同步性以成长更复杂的布局?

  在称为原肠胚构成的过程中,构成分歧的胚层,而且细胞在它们可能分化成哪些组织和器官方面遭到限制。“我们相信河马信号通路至多部门地担任成立原肠胚,”Rajewsky说。该路子节制器官大小,细胞周期和细胞增殖,但从未涉及晚期胚胎的发育。“我们不只表白Hippo在苍蝇中是活跃的,并且我们以至能够预测胚胎的哪个区域会导致有丝割裂的分歧爆发,从而打破同步性。这只是我们的东西有用的一个例子。领会逃避保守科学的机制。“

  项目履历了艰难的酝酿期

  当研究人员起头建立虚拟胚胎时,他们不晓得能否可能。Drop-Seq手艺是Dropf Seq手艺的最主要功效,它是一种基于液滴的微流体方式,能够低成本对数千个细胞进行转录阐发。这项手艺是夏日学生Jonathan Alles在Rajewsky尝试室新设立的。

  然而,需要在原肠胚构成起头时切确选择苍蝇胚胎。罗伯特辛森尝试室的博士生菲利普瓦勒(Philipp Wahle)亲手挑选了大约5,000论理学生,然后将他们分成单个细胞。“我确信这会给我们一个大而完全奇特的数据集。这对我来说是一个很好的动力,”Wahle说。这个艰辛的过程带来了新的挑战。“你需要收集几回会议以获得足够的材料进行测序运转,”担任单细胞测序团队的Christine Kocks说。它由Jonathan Alles,Salah Ayoub和Anastasiya Boltengagen构成,他们与计较科学家Nikos Karaiskos配合优化了基于液滴的测序。“所以我们必需找到一种方式来不变细胞中的转录组,”Kocks弥补道。“最初,基于他晚期对C. elegans胚胎的研究,Nikolaus建议利用甲醇。”新的单细胞固定方式于2017年5月在BMC Biology上颁发。

  跟着数据变得越来越好,Rajewsky尝试室的理论物理学家和计较专家Nikos Karaiskos接管了将如斯大量细胞空间映照到其切确胚胎位置的挑战。空间转录组学范畴中现有的方式都不适合重建果蝇胚胎。“这是一个频频过程,过滤数据,看看里面是什么,并试图绘制它。它一路上改变了良多次,”卡拉斯科斯说。计较机尝试室成员和湿尝试室互换之间有良多来回,这是BIMSB的一个明白特征。“我不得不不断质疑我的工作,看看它缺乏的处所,并开辟出更好的工具。”他提出了一种名为DistMap的新算法,能够将细胞的转录组数据映照到虚拟胚胎中的原始位置。

  浏览未知范畴

  虚拟胚胎的建立使Karaiskos可以或许容易地预测数千个基因的表达,这是保守尝试手段几乎不成能完成的使命。Philipp Wahle在Claudia Kipar的支撑下,通过用保守方式在工作台上察看基因表达谱来验证这些预测:原位杂交答应用显微镜下可见的彩色染料可视化基因表达模式。“在这个阶段,单层细胞环绕整个苍蝇胚胎,”Wahle说。“这使得它很是易于拜候,因而您能够将计较数据与成像进行比力。”

  这是第一次能够零丁察看大约6,000个胚胎细胞,评估它们的基因表达谱 - 并领会决定它们在胚胎中的行为的缘由。“这项研究最主要的手艺前进是,我们不会得到领会胚胎细胞协同感化所需的空间消息,”科学家说。“这真的是一个未知的范畴,需要新的生物消息学方式来理解所收集的数据。这在我们的合作中很是无效,特别是由于Rajewsky尝试室的奇特形成,它整合了湿尝试室和计较方式。”拉杰维斯基说,一个次要的劣势是,这两个群体不只敌手艺感乐趣,并且还有特定的生物学问题来激励他们。“罗伯特对晚期成长有着深刻的理解。我们能够进行单细胞测序运转,并具有开辟东西的计较能力,这些东西可协助我们真正领会潜在的基因调控彼此感化。“

  这些小组曾经在打算后续项目。一个例子是在分歧的时间点映照细胞以察看它们若何一路工作以构成器官和组织。另一种方式是查抄映照方式能否合用于更复杂的组织。

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