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为动物发育提供关键见解:生物学家确定单个细胞类型的进化年龄

2023-04-07 20:46:14 来源: 用户:长孙舒燕 

由大学(港大)生物科学学院的郑超谷博士领导的研究小组对一种名为秀丽隐杆线虫(秀丽隐杆线虫)的小动物不同类型细胞的进化年龄做出了重大发现。通过使用单细胞转录组学数据和精细的植物学,研究小组确定了单个细胞的转录组年龄,这意味着他们能够根据细胞中表达的基因的年龄来估计不同细胞的进化起源。

他们的发现揭示了动物发育的“沙漏”模式的细胞基础,揭示了不同细胞类型转录组年龄的显着差异。这些结果也为不同细胞和组织对适应的不同贡献以及细胞类型之间的进化关系提供了见解。这些发现为驱动物种进化的遗传机制提供了新的视角,并已发表在PNAS上。

沙漏模型分子研究的见解

所有动物的胚胎在胚胎发育中期具有相似的形态,而在早期和晚期具有较大的形态差异。这种模式通常被称为“沙漏”发育模式,这意味着所有动物发育在胚胎发生中期都会经历一个进化保守的阶段。

最近的分子研究表明,处于胚胎发生中期的胚胎表达最古老的转录组,这意味着在这个阶段的基因表达过程中使用了最古老和最保守的基因。相反,年轻的基因在胚胎发育的早期和后期表达。

这是通过使用一种称为phylostratigraphy的技术分析胚胎在不同发育阶段的基因表达而发现的,该技术用于通过比较不同物种的序列来确定基因年龄。

然而,这些研究是有限的,因为它们只能确定整个生物体在整个发育过程中的转录组年龄,而不能确定单个细胞或组织中的转录组年龄。这种限制很重要,因为获取有关特定细胞和组织中表达的基因年龄的信息对于更详细地了解物种之间发育模式的进化以及驱动它的遗传机制至关重要。

此外,它可以揭示单个组织和细胞如何促进“沙漏”模式,这是了解不同器官和组织如何促进动物整体发育过程的进化和适应的关键方面。

从全细胞分析到单细胞分析

为了填补这一知识空白,研究小组使用RNA测序在单细胞水平上研究线虫秀丽隐杆线虫的转录组年龄。他们观察整个胚胎(或生物体)和单个细胞的RNA表达,以全面了解胚胎和幼虫发育过程中如何使用不同的基因。

该团队首先在秀丽隐杆线虫胚胎发生中期确定了最古老的转录组时期,该转录组在原肠胚形成后开始,这一过程在胚胎中形成不同的胚层并持续到器官的早期发育。更重要的是,研究小组发现,在早期胚胎中,某些细胞比其他细胞使用更古老的基因。

例如,后来成为种系(负责将遗传信息传递给后代)的细胞使用比体内体细胞组织更古老的基因。同样,后来成为内胚层(产生消化道)的细胞在早期发育过程中与其他细胞类型相比使用较旧的基因。在分化的细胞中,肌肉似乎比其他细胞类型具有最古老的转录组。

还观察到,细胞和组织类型之间转录组年龄的变化在胚胎早期阶段仍然很小,并且在胚胎后期和幼虫阶段随着细胞分化而变大。沿着谱系跟踪转录组年龄的动态可识别某些组织,例如皮肤,这些组织有助于晚期胚胎中转录组年龄的上升。

对秀丽隐杆线虫神经系统中128种不同类型神经元的转录组年龄变化的进一步分析表明,一组特定的化学感觉神经元及其下游中间神经元表达非常年轻的转录组,这可能有助于适应最近的进化,因为许多新进化的年轻基因与感知环境因素有关。

最后,通过分析不同神经元类型之间转录组年龄的变化,以及调节其发育的基因(命运调节因子)的年龄,研究小组能够假设这128种神经元类型中的一些的进化历史。

“以秀丽隐杆线虫为例,我们展示了单细胞水平的转录组年龄如何为发育创新的细胞基础提供洞察力,并帮助了解细胞类型的功能多样性和进化起源,”大学生物科学学院博士后研究员,该论文的第一作者马富强博士说。

该研究项目的主管郑博士说:“这项研究是利用尖端单细胞转录组学研究进化生物学老问题的一个例子。 郑博士设想,在转录组水平上确定单个细胞类型的进化年龄的可能性可以开辟新的研究方向,并促进我们对驱动物种进化的遗传机制的理解。

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